Fizycy stworzyli hologram kwantowy, wykorzystując metapowierzchnię do zapisu hybrydowego stanu polaryzacyjno-holograficznego fotonów. Jednocześnie, gdy eksperymentatorzy zmienili polaryzację pustego fotonu, część hologramu okazała się być ukryta podczas wyświetlania. Naukowcy zaproponowali zastosowanie nowej technologii w algorytmie dystrybucji klucza kwantowego BB84. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Advanced Photonics.
Hybrydowe stany splątane fotonów obiecują fizykom wiele nowych możliwości: możliwe jest na przykład połączenie polaryzacji pojedynczego fotonu i momentu orbitalnego drugiego fotonu, znajdującego się w wiązce światła, co pozwala na przeprowadzenie tomografii kwantowej. Jednak badanie hybrydowego splątania kwantowego z udziałem przestrzennego pola holograficznego stało się dla naukowców trudne ze względu na złożoną implementację takich związków — klasyczna aparatura laboratoriów optycznych sprawia, że układy eksperymentalne są zbyt duże i wyjątkowo nieefektywne.
W tym przypadku z pomocą eksperymentatorom przychodzą metapowierzchnie — struktury składające się z szeregu elementów o rozmiarach podfalowych. Podobne materiały potrafią modulować światło, kontrolując jednocześnie kilka cech fotonów: mogą na przykład 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 tryby przestrzenne fotonów są połączone.
Aby to zrobić, fizycy wykorzystali metapowierzchnię o wspólnym profilu amplitudy, ale różnych profilach fazowych na płaszczyźnie obrazu. Źródłem fotonów w instalacji był promień lasera o długości fali 405 nanometrów. Naukowcy rozdzielili wygenerowane pary fotonów za pomocą pryzmatu i wystrzelili je do dwóch oddzielnych ramion instalacji — ramienia sygnałowego i ramienia spoczynkowego. Po przejściu przez ramię sygnałowe foton wchodził do 10-metrowego włókna światłowodowego i wychodził w kierunku metapowierzchni, zamieniając ją w hologram. Czas, jaki naukowcy poświęcili na stworzenie jednego hologramu, wyniósł około 20 minut.
Metapowierzchnia w ramieniu sygnałowym urządzenia generowała dwa różne stany holograficzne fotonów, które z kolei były splątane z dwoma ortogonalnymi stanami polaryzacji bezczynnych fotonów. Takie splątanie polaryzacyjno-holograficzne pozwoliło fizykom na zdalną kontrolę hologramów kwantowych fotonu sygnałowego poprzez zmianę polaryzacji pustego obszaru. Przykładowo, gdy badacze zmierzyli hologram sygnału kwantowego światła bez selekcji polaryzacji pustego elementu (po prostu usunęli polaryzator z instalacji), na wyjściu otrzymali obraz wszystkich czterech zakodowanych liter „HDVA”. Jednak po tym, jak eksperymentatorzy umieścili polaryzator z powrotem na jego miejscu, foton sygnałowy zapadł się w superpozycję stanów holograficznych — jedna z liter napisu okazała się być wymazana. Aby wybrać konkretną literę do ukrycia, fizycy zastosowali różne kąty polaryzacji w pustym ramieniu.
Autorzy artykułu zauważyli, że proponowana przez nich technologia holografii kwantowej może być przydatna w dziedzinie szyfrowania kwantowego: według ich własnych szacunków, wykorzystanie hologramów w protokole BB84 (więcej o tym protokole można przeczytać w naszym materiale „Technologie kwantowe. Moduł 5”) do dystrybucji klucza kwantowego daje stopę błędu bitowego wynoszącą zaledwie 1,5 proc., co jest znacznie mniej niż wymagany próg bezpieczeństwa wynoszący 11 proc.
Pisaliśmy wcześniej o tym, jak fizycy nauczyli się zmieniać wszystko w impulsach światła naraz za pomocą bardzo długich metapowierzchni.