Fizycy stworzyli hologram kwantowy, używając metasurface, aby zarejestrować hybrydowy stan polaryzacyjno-holograficzny fotonów. W tym samym czasie, gdy eksperymentatorzy zmienili polaryzację pustego fotonu, część hologramu okazała się być ukryta, gdy była wyświetlana. Naukowcy zaproponowali wykorzystanie nowej technologii w algorytmie dystrybucji klucza kwantowego BB84. Wyniki badań opublikowano w Advanced Photonics.
Hybrydowe splątane stany fotonów obiecują fizykom wiele nowych możliwości: na przykład możliwe jest połączenie polaryzacji pojedynczego fotonu i momentu orbitalnego drugiego fotonu umieszczonego w wiązce światła w celu wykonania tomografii kwantowej. Jednak badanie hybrydowego splątania kwantowego z udziałem przestrzennego pola holograficznego stało się trudne dla naukowców ze względu na złożoną implementację takich związków — klasyczna aparatura laboratoriów optycznych sprawia, że układy eksperymentalne są zbyt duże i wyjątkowo nieefektywne.
Tutaj z pomocą eksperymentatorom przychodzą metasurfaces — struktury składające się z szeregu elementów o rozmiarach podfalowych. Podobne materiały są w stanie 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 zrobić, fizycy użyli metasurface ze wspólnym profilem amplitudy, ale różnymi profilami fazowymi w płaszczyźnie obrazu. Źródłem fotonów w instalacji był promień lasera 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 bezczynnego. Po przejściu przez ramię sygnałowe foton wszedł do 10-metrowego włókna światłowodowego i wyszedł w kierunku metasurface, zamieniając go w hologram. Czas, jaki naukowcy poświęcili na stworzenie jednego hologramu, wyniósł około 20 minut.
Metasurface w ramieniu sygnałowym układu generował dwa różne stany holograficzne fotonów, które z kolei były splątane z dwoma ortogonalnymi stanami polaryzacji bezczynnych fotonów. Takie splątanie polaryzacyjno-holograficzne pozwoliło fizykom zdalnie kontrolować hologramy kwantowe fotonu sygnałowego poprzez zmianę polaryzacji bezczynnego fotonu. Na przykład, gdy badacze zmierzyli hologram kwantowego sygnału światła bez wyboru polaryzacji pustego miejsca (po prostu usunęli polaryzator z instalacji), na wyjściu otrzymali obraz wszystkich czterech zakodowanych liter „HDVA”. Jednak po tym, jak eksperymentatorzy odłożyli polaryzator na swoje 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 miejscu.
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 kluczy kwantowych daje wskaźnik błędów bitowych na poziomie 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.