Metasytor tillhandahåller unika plattformar för att realisera exotiska fenomen inklusive negativ brytning, akromatisk fokusering, och elektromagnetisk cloaking på grund av de konstruerade dielektriska eller metalliska arkitekturerna. Skärningen mellan metasytor och kvantoptik kan leda till betydande möjligheter som återstår att utforska. I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapens framsteg , Junxiao Zhou, Shikai Liu och ett forskarlag inom kvantinformation, nano-optoelektroniska enheter och datorteknik i Kina och USA föreslog och demonstrerade en polarisationsintrasslad fotonkälla. De använde källan för att växla det optiska kantläget i ett bildsystem till PÅ- eller AV-lägen baserat på en mycket dielektrisk metayta. Experimentet berikade fälten kvantoptik och metamaterial som en lovande riktning mot kvantkantdetektering och bildbehandling med ett anmärkningsvärt signal-brusförhållande.

Kombinera kvantintrassling och kantdetektering

Fotoniska metasytor är tvådimensionella (2-D) ultratunna arrayer av konstruerade metalliska eller dielektriska strukturer som kan underlätta elektromagnetisk fältmanipulation av den lokala fasen, amplitud och polarisation. Forskare utvecklar generellt sådana möjligheter för en mängd olika tillämpningar inom klassisk optik. Kvantintrassling är väsentlig inom kvantoptik för många applikationer inklusive kvantkryptografi, teleportering, superupplösande metrologi och kvantavbildning. Nyligen genomförda ansträngningar visar en trend att kombinera metaytan med intrasslade fotoner för potentiella tillämpningar inom kvantoptik. Kantdetektering är en annan faktor som bidrar till bildbehandling för att definiera gränserna mellan regioner i en bild. Det är ett grundläggande verktyg inom datorseende för att förbearbeta automatiseringar inom medicinsk bildbehandling och utgör en kritisk komponent i autonoma fordon. Metasurface-aktiverad kantdetektering kan användas inom kvantoptik för att erbjuda möjligheter till fjärrstyrd bildbehandling och kryptografi. I det här arbetet, Zhou et al. har därför realiserat en polarisationsintrasslad fotonkälla och högeffektiv metasurface-aktiverad omkopplingsbar optisk kantdetekteringsmetod. Den kombinerade strategin visade ett högt signal-brus-förhållande (SNR) vid samma fotonflödesnivå (antal fotoner per sekund per ytenhet).

Använder konceptet "Schrödingers katt".

Zhou et al. använde Schrödingers katt-konceptet för att illustrera den förväntade prestandan för det omkopplingsbara kvantkantdetekteringsschemat. De granskade den grundläggande principen för kantdetektering baserad på klassisk kontinuerlig våg (CW) ljusbelysning. I experimentuppställningen, kantdetekteringsavbildningsarmen var oberoende av den intrasslade källan och den förkunnande armen, såväl som komponenterna för slumpmätningen. När de infallande fotonerna uppnådde ett horisontellt polarisationstillstånd, strålen av upplyst ljus passerade genom en kattformad bländare och en konstruerad metayta för att separera till en vänster- och högerhänt överlappad polariserad bild med en horisontell förskjutning. De överlappande komponenterna passerade sedan genom en horisontellt orienterad analysator för att bilda en "solid cat"-bild. Om, dock, de infallande fotonerna var vertikalt polariserade, de överlappande komponenterna rekombinerade till en linjär polariserad komponent som är helt blockerad av analysatorn för att endast bilda en kontur av en katt. Forskarna använde därför polarisationsintrasslade fotoner som en belysningskälla för att utveckla kvantomkopplingsbar kantdetektering på detta sätt.

Den experimentella uppställningen och polarisationsintrasslade fotonpar

Forskarna genererade polariserande intrasslade fotoner med hjälp av en spontan parametrisk nedkonverteringsprocess i en 20 mm lång typ II fasmatchad periodiskt polad kaliumtitanylfosfat (KTiOPO) ₄ /PPKTP) kristall inbäddad i en Sagnac-interferometer. De ställde in temperaturen på kristallen till 17 grader Celsius och använde två dielektriska bredbandsspeglar och en dubbelvågig polarisationsstråldelare för att bilda den självstabila Sagnac-interferometern. De använde sedan en kontinuerlig våg enfrekvent diodlaser vid 405 nm för att generera pumpstrålen fokuserad av ett par linser med optimerade brännvidder för att uppnå en strålmidja på ungefär 40 mikron i mitten av kristallen. För att balansera kraften i medurs och moturs riktningar, Zhou et al. använde en kvartsvågsplatta (QWP) och en halvvågsplatta (HWP) framför Sagnac-slingan.

Med hjälp av en dubbelvåglängds polarisationsstråldelare, de separerade de nedkonverterade fotonparen som pumpades av två mot-utbredningsstrålar, att skicka en in i avbildningsarmen och den andra till förebådande armar, respektive. Zhou et al. designade också metaytan som användes i installationen med Pancharatnam-Berry-fasen och tillverkade den genom att skanna en femtosekundspulslaser i en kiselplatta. Använd sedan svepelektronmikroskopi, de observerade självmonterade nanostrukturer i kiselplattan och visade deras ursprung under intensiv laserbestrålning för att generera metaytan. Teamet beskrev kortfattat kvanttillståndsförberedelserna för de polarisationsintrasslade degenererade fotonpar som genereras från Signac-slingan. De använde Bell-tillståndet (det enklaste exemplet på icke-separerbar kvantentanglement) för detta arbete genom att justera den experimentella uppställningen. Zhou et al. kvantifierade intrasslingskvaliteten för tvåfotontillståndet med hjälp av kvanttomografi och rekonstruerade tvåfotondensitetsmatrismätningar.

Quantum-entanglement aktiverad quantum edge-detektering

Efter att ha bekräftat kvaliteten på genererade polarisationsintrasslade fotonpar, de visade omkopplingsbar kvantkantdetektering. För att åstadkomma detta, de förberedde fotonerna i horisontella eller vertikala linjära polarisationstillstånd med hjälp av installationen och kopplade fotonerna till fibern och skickade dem till kantdetekteringsbildsystemet för att fånga den slutliga alternativa bilden via en intensifierad laddningskopplad enhetskamera (ICCD). Till exempel, Zhou et al. fick två överlappande bilder med en liten förskjutning, där skiftriktningen är i linje med fasgradientriktningen för metaytan. När de ökade perioden för metasytstrukturen, de minskade skiftningen mellan de två överlappande bilderna för att uppnå högupplöst kantdetektering. Kvantkantdetekteringsschemat hade en annan fördel på grund av dess höga signal-brusförhållande (SNR), där teamet avsevärt kan minska omgivningsljudet i installationen, där buller bara ackumulerades under en mycket kort tidsram. Däremot i klassisk optik, bullret skulle fortsätta att ackumuleras. Som proof of concept, de fick en kantbild med anmärkningsvärd SNR för förbättrad entanglement-aktiverad experimentell kvantkantdetektion.

Syn

På det här sättet, Junxiao Zhou, Shikai Liu och kollegor kombinerade kvantintrasslingsaktiverad kvantkantdetektering med hjälp av ett metasytefilter kombinerat med en polarisationsintrasslad källa. Metaytorna gav ultratunna och lätta optiska element med exakt konstruerade fasprofiler för att erhålla en mängd olika funktioner för att bilda ett mer kompakt och integrerat system. Installationen kommer att hjälpa utformningen av säkerhetsapplikationer inklusive bildkryptering och steganografi. Metoden erbjuder också ett tilltalande signal-till-brus-förhållande (SNR) som lämpar sig för en mängd fotonhungriga avbildnings- och avkänningsapplikationer inom biomedicin, inklusive spårning av enzymatiska reaktioner och observation av levande organismer eller ljuskänsliga celler.

© 2020 Science X Network