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.
Метаповерхность в сигнальном плече установки генерировала два различных голографических состояния фотонов, а те, в свою очередь, запутывались с двумя ортогональными поляризационными состояниями холостых фотонов. Такая поляризационно-голографическая запутанность позволила физикам дистанционно управлять квантовыми голограммами сигнального фотона путем изменения поляризации холостого. Например, когда исследователи измерили голограмму сигнального кванта света без поляризационной селекции холостого (попросту убрав поляризатор из установки), на выходе они получили изображение всех четырех закодированных букв «HDVA». Однако после того, как экспериментаторы вернули поляризатор на место, сигнальный фотон свернулся в суперпозицию голографических состояний — одна из букв надписи оказалась стертой. Чтобы выбрать, какую конкретно букву нужно скрыть, физики использовали различные углы поляризации в холостом плече.
Авторы работы отметили, что предложенная ими технология квантовой голографии может оказаться полезной в сфере квантового шифрования: по их собственным оценкам, использование голограмм в протоколе BB84 (подробнее об этом протоколе можно узнать в нашем материале «Квантовые технологии. Модуль 5») для квантового распределения ключей дает коэффициент битовых ошибок всего 1,5 процента, что значительно ниже требуемого порога безопасности в 11 процентов.
О том, как физики научились менять в световых импульсах все и сразу с помощью очень длинных метаповерхностей, мы писали ранее.
