Квантовая запутанность — фундаментальное явление в природе и один из самых интригующих аспектов квантовой механики. Она описывает корреляцию между двумя частицами, при которой измерение свойств одной из них мгновенно выявляет свойства другой, независимо от того, насколько они далеки друг от друга. Это уникальное свойство было использовано в таких приложениях, как квантовые вычисления и квантовая связь.
Распространенным методом создания запутанности является использование нелинейного кристалла , который создает пары фотонов с запутанными поляризациями посредством спонтанного параметрического преобразования с понижением частоты (SPDC): если один фотон измерен как горизонтально поляризованный, другой всегда будет вертикально поляризован, и наоборот.
Между тем, метаповерхности — сверхтонкие оптические устройства — известны своей способностью кодировать огромные объемы информации, что позволяет создавать голограммы высокого разрешения. Объединяя метаповерхности с нелинейными кристаллами, исследователи могут исследовать многообещающий подход к улучшению генерации и управления запутанными состояниями фотонов.
В недавнем исследовании, опубликованном в Advanced Photonics, исследователи из Гонконга и Великобритании представили новый подход к созданию квантовых голограмм с использованием метаповерхностей. Тщательно проектируя ориентации наноструктур внутри метаповерхности, они позволили создать квантовую голограмму, в которой поляризация и голографическая информация становятся запутанными.
«Мы продемонстрировали, что метаповерхности служат универсальной платформой для создания квантовых голограмм. Свойство запутанности этих квантовых голограмм дополнительно раскрывается путем проецирования одного фотона на различные состояния поляризации, соответствующие эффектам интерференции, наблюдаемым в других местах», — пояснил Дженсен Ли, профессор вычислительной техники и метаматериалов в Университете Эксетера и старший автор отчета.
Подход предлагает компактный, но гибкий метод, который трудно реализовать с помощью обычных материалов. Для демонстрации исследователи успешно создали четыре голографические буквы — «H», «V», «D» и «A», запутанные с поляризацией парных фотонов. Выбирая различные ориентации поляризатора для одного фотона, можно было выборочно стирать определенные буквы в голограмме, демонстрируя точный контроль над запутанной голографической информацией.
Помимо своего фундаментального значения, это исследование также обещает практические приложения, такие как квантовая коммуникация , путем кодирования информации как в буквах, так и в состояниях поляризации. «С более сложными моделями запутывания мы можем увеличить информационную емкость для квантового распределения ключей, что является безопасным способом общения», — сказал Хонг Лян, соавтор исследования. «Мы считаем, что метаповерхности могут значительно уменьшить размер квантовых оптических систем , делая эту технологию гораздо более практичной для повседневного использования».
