Fizycy stworzyli hologram kwantowy, wykorzystując metapowierzchnię do rejestrowania hybrydowego stanu polaryzacyjno-holograficznego fotonów. Gdy eksperymentatorzy zmienili polaryzację fotonu biernego, część hologramu została ukryta w trakcie jego tworzenia. Naukowcy zaproponowali wykorzystanie tej nowej technologii w algorytmie dystrybucji klucza kwantowego BB84. Wyniki badania zostały opublikowane w czasopiśmie Advanced Photonics.
Hybrydowe stany splątane fotonów obiecują fizykom wiele nowych możliwości: na przykład, mogą one sprzężyć polaryzację pojedynczego fotonu z orbitalnym momentem pędu innego fotonu w wiązce światła, aby wykonać tomografię kwantową. Jednak badanie hybrydowego splątania kwantowego z wykorzystaniem przestrzennego pola holograficznego okazało się trudne dla naukowców ze względu na złożoność implementacji takich stanów – tradycyjna aparatura laboratoriów optycznych sprawia, że układy eksperymentalne są zbyt nieporęczne i wyjątkowo nieefektywne.
W tym przypadku z pomocą eksperymentatorom przychodzą metapowierzchnie – struktury składające się z szeregu elementów podfalowych. Takie materiały mogą modulować światło, kontrolując jednocześnie kilka charakterystyk fotonów: na przykład mogą emitować splątane kwanty o zmiennej długości fali.
Jensen Li z Hongkońskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii wraz z kolegami z Wielkiej Brytanii i Chin wykorzystał metapowierzchnię do stworzenia hologramu kwantowego opartego na splątaniu polaryzacyjno-holograficznym – stanie hybrydowym, w którym polaryzacja i złożone mody przestrzenne fotonów są sprzężone.
Aby to osiągnąć, fizycy wykorzystali metapowierzchnię o wspólnym profilu amplitudy, ale różnych profilach fazowych w płaszczyźnie obrazu. Źródłem fotonów w tym układzie była wiązka laserowa o długości fali 405 nanometrów. Wygenerowane pary fotonów rozdzielano za pomocą pryzmatu i wprowadzano do dwóch oddzielnych ramion układu – ramienia sygnałowego i ramienia biernego. Po przejściu przez ramię sygnałowe foton przemieszczał się przez 10-metrowy światłowód i docierał do metapowierzchni, przekształcając ją w hologram. Czas potrzebny naukowcom na stworzenie jednego hologramu wynosił około 20 minut.
Metapowierzchnia w ramieniu sygnałowym układu generowała dwa różne holograficzne stany fotonów, które z kolei splątały się z dwoma ortogonalnymi stanami polaryzacji fotonów biernych. To splątanie polaryzacyjno-holograficzne pozwoliło fizykom zdalnie sterować hologramami kwantowymi fotonu sygnałowego poprzez zmianę polaryzacji fotonu biernego. Na przykład, gdy naukowcy zmierzyli hologram fotonu sygnałowego bez wyboru polaryzacji fotonu biernego (po prostu wyjmując polaryzator z układu), uzyskali obraz wszystkich czterech zakodowanych liter „HDVA”. Jednak po ponownym umieszczeniu polaryzatora przez eksperymentatorów, foton sygnałowy zapadł się w superpozycję stanów holograficznych – jedna z liter w inskrypcji została wymazana. Aby wybrać literę do zakrycia, fizycy zastosowali różne kąty polaryzacji w ramieniu biernym.
Autorzy artykułu zauważyli, że proponowana przez nich technologia holografii kwantowej może okazać się użyteczna w dziedzinie szyfrowania kwantowego: według ich własnych szacunków, wykorzystanie hologramów w protokole BB84 (więcej szczegółów na temat tego protokołu można znaleźć w naszym materiale „Technologie kwantowe. Moduł 5”) do dystrybucji klucza kwantowego daje stopę błędu bitowego na poziomie zaledwie 1,5%, co jest wartością znacznie niższą od wymaganego progu bezpieczeństwa wynoszącego 11%.
Wcześniej pisaliśmy o tym, jak fizycy nauczyli się zmieniać wszystko w impulsach światła naraz, wykorzystując bardzo długie metapowierzchnie.
