Фізики створили квантову голограму, використовуючи метаповерхня для запису гібридного поляризаційно-голографічного стану фотонів. При цьому коли експериментатори змінювали поляризацію холостого фотона, частина голограми при прояві виявлялася прихованою. Вчені запропонували використати нову технологію в алгоритмі квантового розподілу ключів BB84. Результати дослідження опубліковані в Advanced Photonics.
Гібридні заплутані стани фотонів обіцяють фізикам багато нових можливостей: наприклад, можна пов'язати поляризацію одиночного фотона та орбітальний момент іншого, що знаходиться у світловому пучку, щоб провести квантову томографію. Однак дослідження гібридної квантової заплутаності за участю просторового голографічного поля стало для вчених скрутним через складну реалізацію таких станів — класичний інструментарій оптичних лабораторій робить експериментальні установки надто громіздкими та вкрай неефективними.
Тут на допомогу експериментаторам приходять метаповерхні - структури, що складаються з масиву елементів субхвильових розмірів. Подібні матеріали здатні модулювати світло, керуючи одразу декількома характеристиками фотонів: наприклад, можуть випромінювати заплутані кванти зі змінною довжиною хвилі.
Дженсен Лі (Jensen Li) з Гонконзького університету науки і технологій спільно з колегами з Великобританії та Китаю використав метаповерхню, щоб створити квантову голограму на основі поляризаційно-голографічної заплутаності – гібридного стану, в якому пов'язані поляризація та складні просторові моди фотонів.
Для цього фізики використовували метаповерхню із загальним амплітудним профілем, але різними фазовими профілями у площині зображення. Джерелом фотонів в установці став лазерний пучок з довжиною хвилі 405 нанометрів, а пари фотонів, що генеруються, вчені розділили за допомогою призми і запустили в два окремих плечі установки — сигнальне і холосте. Після проходження сигнального плеча фотон йшов оптичне волокно довжиною 10 метрів і виходив назустріч метаповерхні, перетворюючи її на голограму. Час, який витратили вчені на створення однієї голограми, становив близько 20 хвилин.
Метаповерхня в сигнальному плечі установки генерувала два різні голографічні стани фотонів, а ті, у свою чергу, заплутувалися з двома ортогональними поляризаційними станами холостих фотонів. Така поляризаційно-голографічна заплутаність дозволила фізикам дистанційно керувати квантовими голограмами сигнального фотона шляхом зміни поляризації холостого. Наприклад, коли дослідники виміряли голограму сигнального кванта світла без поляризаційної селекції неодруженого (просто прибравши поляризатор з установки), на виході вони отримали зображення всіх чотирьох закодованих букв HDVA. Однак після того, як експериментатори повернули поляризатор на місце, сигнальний фотон згорнувся в суперпозицію голографічних станів - одна з букв напису виявилася стертою. Щоб вибрати, яку літеру потрібно приховати, фізики використовували різні кути поляризації в холостому плечі.
Автори роботи зазначили, що запропонована ними технологія квантової голографії може виявитися корисною у сфері квантового шифрування: за їх власними оцінками, використання голограм у протоколі BB84 (докладніше про цей протокол можна дізнатися в нашому матеріалі «Квантові технології. Модуль 5») для квантового розподілу ключів 5, необхідного порога безпеки 11 відсотків.
Про те, як фізики навчилися змінювати у світлових імпульсах все й одразу за допомогою дуже довгих метаповерхностей, ми писали раніше.