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量子突破：多功能金屬膜如何改變光子學

2023-08-13 15:45:03 來源：cnBeta

(資料圖片)

科學家們開發(fā)出了一種多功能金屬膜，能夠構造單光子發(fā)射器的量子發(fā)射。這項創(chuàng)新實現(xiàn)了對量子發(fā)射的操縱，有望推動量子技術取得新進展，包括對密碼學和信息安全的潛在影響。

用于任意塑造二維六方氮化硼量子發(fā)射的多功能金屬膜的藝術插圖。資料來源：Chi Li、Jaehyuck Jang、Trevon Badloe、Tieshan Yang、Joohoon Kim、Jaekyung Kim、Minh Nguyen、Stefan A. Maier、Junsuk Rho、Haoran Ren、Igor Aharonovich。

量子發(fā)射是實現(xiàn)光子量子技術的關鍵。固態(tài)單光子發(fā)射器（SPE），如六方氮化硼（hBN）缺陷，可在室溫下工作。它們因其堅固性和亮度而備受青睞。從 SPE 收集光子的傳統(tǒng)方法依賴于高數(shù)值孔徑 (NA) 物鏡或微結(jié)構天線。雖然光子收集效率很高，但這些工具無法操控量子發(fā)射。要對發(fā)射的量子光源進行任何所需的結(jié)構化處理，都需要多個笨重的光學元件，如偏振器和相位板。

在最近發(fā)表在《eLight》雜志上的一篇新論文中，莫納什大學的 Chi Li 博士和 Haoran Ren 博士領導的一個國際科學家團隊開發(fā)出了一種新型多功能金屬膜，用于構造 SPE 的量子發(fā)射。以不同空間形式任意變換光束的能力對于量子光源來說至關重要。

元表面改變了光子設計的面貌。它帶來了從光學成像和全息技術到激光雷達和分子傳感的重大技術進步。最近，人們設計了將納米級發(fā)射器直接集成到納米結(jié)構諧振器和元表面的方法，以收集和演示對 SPE 發(fā)射的基本定制。這些最初的演示證明了平面光學在推動量子發(fā)射操縱方面的必要性。

研究小組通過設計和制造一種多功能金屬膜來解決這一問題。韓國物理學家 Jaehyuck Jang 博士、Trevon Badloe 博士和浦項科技大學的 Junsuk Rho 教授制造出了這種新型金屬膜。它可以同時調(diào)整方向性、極化和軌道角動量（OAM）自由度。他們利用金屬離子演示了在室溫下從氫化硼中的固相萃取物（SPEs）進行量子發(fā)射的多維結(jié)構化。

研究小組展示了量子發(fā)射方向性的任意塑造。他們還表明，可以在金屬感曲線上添加不同的螺旋波面，從而在 SPE 的正交極性中產(chǎn)生獨特的 OAM 模式。這項突破性的實驗工作由 Igor Aharonovich 教授領導的悉尼科技大學和 TMOS（澳大利亞研究理事會卓越中心）完成。

所展示的多自由度量子發(fā)射任意波前整形技術可以充分釋放固態(tài) SPE 的潛力，將其用作先進量子光子應用的高維量子源。

該團隊的新技術提供了一個新平臺，利用超薄元光學器件在室溫下實現(xiàn)多自由度量子發(fā)射的任意波前整形。它可能為量子信息科學領域提供新的見解。研究小組認為，操縱光子的偏振可以改善濾波效果，從而對量子密碼學和糾纏分發(fā)產(chǎn)生重大影響。偏振分離對于未來利用氫化硼 SPE 生成偏振糾纏光子對至關重要。

金屬膜的未來擴展可實現(xiàn)高維單光子混合量子態(tài)的產(chǎn)生。未來將結(jié)構化 SPE 源與可靠的傳輸環(huán)境（如光纖）進行整合，將有望實現(xiàn)信息容量更大、抗噪聲能力更強、安全性更高的量子網(wǎng)絡。

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