Fizycy stworzyli hologram kwantowy, wykorzystując metapowierzchnię do rejestrowania hybrydowego stanu polaryzacyjno-holograficznego fotonów. Jednocześnie, gdy eksperymentatorzy zmienili polaryzację pustego fotonu, część hologramu okazała się być ukryta podczas wyświetlania. Naukowcy zaproponowali wykorzystanie nowej technologii w algorytmie dystrybucji klucza kwantowego BB84. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Advanced Photonics.
Hybrydowe stany splątane fotonów obiecują fizykom wiele nowych możliwości: na przykład możliwe jest 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 złożoność implementacji takich związków – klasyczna aparatura laboratoriów optycznych sprawia, że układy eksperymentalne są zbyt duże i wyjątkowo nieefektywne.
Z pomocą eksperymentatorom przychodzą tu metapowierzchnie – struktury składające się z szeregu elementów o rozmiarach podfalowych. Podobne materiały potrafią modulować światło, kontrolując jednocześnie kilka cech 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 tryby przestrzenne fotonów są połączone.
Aby to osiągnąć, fizycy wykorzystali metapowierzchnię o wspólnym profilu amplitudy, ale różnych profilach fazowych w płaszczyźnie obrazu. Źródłem fotonów w instalacji była wiązka laserowa o długości fali 405 nanometrów, a 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 światłowodu i wychodził w kierunku metapowierzchni, przekształcając ją w hologram. Czas potrzebny naukowcom na stworzenie jednego hologramu wynosił około 20 minut.
Metapowierzchnia w ramieniu sygnałowym urządzenia generowała dwa różne stany holograficzne fotonów, które z kolei były splątane z dwoma ortogonalnymi stanami polaryzacji fotonów bezczynnych. Takie splątanie polaryzacyjno-holograficzne pozwoliło fizykom zdalnie sterować hologramami kwantowymi fotonu sygnałowego poprzez zmianę polaryzacji fotonu bezczynnego. Na przykład, gdy naukowcy zmierzyli hologram kwantowego sygnału światła bez wyboru polaryzacji pustego elementu (po prostu usunęli polaryzator z instalacji), na wyjściu otrzymali obraz wszystkich czterech zakodowanych liter „HDVA”. Jednak po tym, jak eksperymentatorzy odłożyli polaryzator na miejsce, foton sygnałowy zapadł się w superpozycję stanów holograficznych – jedna z liter napisu okazała się być wymazana. Aby wybrać, którą konkretną literę ukryć, fizycy zastosowali różne kąty polaryzacji w pustym ramieniu.
Autorzy pracy 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 na poziomie zaledwie 1,5 proc., co jest wartością znacznie niższą od wymaganego progu bezpieczeństwa wynoszącego 11 proc.
Pisaliśmy wcześniej o tym, jak fizycy nauczyli się zmieniać wszystko w impulsach światła naraz za pomocą bardzo długich metapowierzchni.
