Kvantsammanflätning är ett grundläggande fenomen i naturen och en av de mest spännande aspekterna av kvantmekaniken. Det beskriver en korrelation mellan två partiklar, som gör att om man mäter den enas egenskaper avslöjas omedelbart den andras, oavsett hur långt ifrån varandra de befinner sig. Denna unika egenskap har utnyttjats i tillämpningar som kvantdatorer och kvantkommunikation.
En vanlig metod för att generera sammanflätning är genom en olinjär kristall, som producerar fotonpar med sammanflätade polarisationer via spontan parametrisk nedkonvertering (SPDC): om en foton mäts vara horisontellt polariserad kommer den andra alltid att vara vertikalt polariserad, och vice versa.
Samtidigt är metaytor – ultratunna optiska enheter – kända för sin förmåga att koda stora mängder information, vilket gör det möjligt att skapa högupplösta hologram. Genom att kombinera metaytor med olinjära kristaller kan forskare utforska ett lovande tillvägagångssätt för att förbättra genereringen och kontrollen av sammanflätade fotontillstånd.
I en ny studie som publicerades i Advanced Photonics presenterade forskare från Hong Kong och Storbritannien ett nytt tillvägagångssätt för att skapa kvanthologram med hjälp av metaytor. Genom att noggrant utforma orienteringen av nanostrukturer i metaytan kunde de skapa ett kvanthologram, där polarisation och holografisk information sammanflätas.
”Vi har visat att metanytor fungerar som en mångsidig plattform för att generera kvanthologram. Sammanflätningsegenskapen hos dessa kvanthologram avslöjas ytterligare genom att projicera en foton på olika polarisationstillstånd som motsvarar interferenseffekter som observerats på andra ställen”, förklarar Jensen Li, professor i beräkningsteknik och metamaterial vid University of Exeter, och huvudförfattare till rapporten.
Tillvägagångssättet erbjuder en kompakt men ändå flexibel metod som är svår att uppnå med konventionella material. För att demonstrera detta lyckades forskarna skapa fyra holografiska bokstäver – ”H”, ”V”, ”D” och ”A” – som var sammanflätade med de parade fotonernas polarisation. Genom att välja olika polarisationsriktningar för en foton kunde specifika bokstäver i hologrammet raderas selektivt, vilket visar på exakt kontroll över den sammanflätade holografiska informationen.
Utöver sin grundläggande betydelse är denna forskning också lovande för praktiska tillämpningar, såsom kvantkommunikation, genom att information kodas i både bokstäver och polarisationstillstånd. ”Med mer komplexa sammanflätningsmönster kan vi kanske öka informationskapaciteten för kvantnyckeldistribution, vilket är ett säkert sätt att kommunicera”, säger Hong Liang, en av studiens medförfattare. ”Vi tror att metaytor kan minska storleken på kvantoptiska system avsevärt, vilket gör denna teknik mycket mer praktisk för daglig användning.”
Dessutom föreslår forskarna att metaytor kan användas för teknik mot förfalskning. Utöver den inneboende svårigheten att replikera själva metaytan skapar det intrikata förhållandet mellan bokstäverna och polarisationstillstånden och den relativa fasprofilen mellan olika hologram ett unikt mönster som är extremt utmanande att reproducera, vilket ökar säkerheten mot förfalskning.
Experimentuppställning som demonstrerar sammanflätning mellan två fotoner. (a) Den experimentella uppställningen: En 405 nm laser belyser en β-bariumborat (BBO)-kristall för att generera sammanflätade fotonpar, med idler-fotonen i den övre armen och signal-fotonen i den nedre armen. Metaytan (MS) kodar polarisationsinformation till holografiska bokstäver. (b) Signalfotonens hologram observerat utan en polarisator (suddgummi) i idler-armen. (c-f) Hologram med olika polarisatororienteringar i idler-armen. Polarisatorn inställd på horisontell (H), diagonal (D), vertikal (V) och antidiagonal (A) orientering raderar selektivt motsvarande bokstav i den holografiska utgången. Credit: H. Liang et al, doi 10.1117/1.AP.7.2.026006.
”Vår demonstration kan också tolkas som ett kvantgummi på holografisk nivå. Jämfört med det traditionella kvantradergummit med dubbelspalt ersätter vår uppställning två spalter med två hologram och erhåller ’vilket hologram-information’ från polarisationen hos sammanflätade fotoner. Att radera denna information har nu en konkret effekt, vilket illustreras av att man raderar holografiska bokstäver”, säger Wai Chun Wong, en annan medförfattare till artikeln.
Denna forskning visar hur modern nanofabrikationsteknik kan utnyttja kvanteffekter för praktiska tillämpningar. Trots sin ultratunna natur möjliggör metaytor komplexa kvantoperationer som traditionellt skulle kräva invecklade optiska inställningar. Denna prestation fördjupar inte bara vår kollektiva förståelse av kvantmekanik utan ger också ytterligare allmän insikt för kvantinformationsbehandling.
För mer information: Hong Liang et al, Metasurface-enabled quantum holograms with hybrid entanglement, Advanced Photonics (2025). DOI: 10.1117/1.AP.7.2.026006
