Les schémas d'une métasurface ont permis la détection des contours quantiques. (A) La métasurface est conçue pour effectuer une détection de bord pour une polarisation linéaire préférée. |V〉, c'est à dire., l'état de polarisation est orthogonal à l'analyseur. La ligne rouge clair en pointillé représente le chemin électrique. Le point d'interrogation signifie que la sélection de polarisation des photons libres du bras d'annonce est inconnue. Si le chat de Schrödinger est illuminé par des photons de polarisation linéaire inconnus provenant de la source intriquée de polarisation, l'image serait une superposition d'un « chat solide » régulier et d'un « chat aux contours améliorés ». (B) L'état de commutation ON ou OFF du bras d'annonce. Lorsque les photons libres du bras annonciateur sont projetés sur |H〉, il indique l'état de l'interrupteur OFF et conduit à la capture d'un chat solide. Alors que les photons annoncés sont projetés sur |V〉, un chat à contours améliorés par les bords est obtenu avec l'état de l'interrupteur ON. (C et D) Les résultats calculés et expérimentaux d'un chat solide, respectivement. (E et F) Les résultats calculés et expérimentaux du chat aux contours améliorés, respectivement. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.abc4385
Les métasurfaces fournissent des plates-formes uniques pour réaliser des phénomènes exotiques, notamment la réfraction négative, mise au point achromatique, et l'occultation électromagnétique due aux architectures diélectriques ou métalliques conçues. L'intersection des métasurfaces et de l'optique quantique peut conduire à des opportunités importantes qui restent à explorer. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , Junxiao Zhou, Shikai Liu et une équipe de recherche en information quantique, les dispositifs nano-optoélectroniques et l'ingénierie informatique en Chine et aux États-Unis ont proposé et démontré une source de photons intriqués en polarisation. Ils ont utilisé la source pour basculer le mode de bord optique dans un système d'imagerie sur des états ON ou OFF en fonction d'une métasurface hautement diélectrique. L'expérience a enrichi les domaines de l'optique quantique et des métamatériaux en tant que voie prometteuse vers la détection des contours quantiques et le traitement d'images avec un rapport signal/bruit remarquable.
Combinaison d'intrication quantique et de détection de contour
Les métasurfaces photoniques sont des réseaux ultraminces bidimensionnels (2D) de structures métalliques ou diélectriques conçues qui peuvent faciliter la manipulation du champ électromagnétique de la phase locale, amplitude et polarisation. Les chercheurs développent généralement de telles capacités pour une variété d'applications en optique classique. L'intrication quantique est essentielle en optique quantique pour de nombreuses applications, notamment la cryptographie quantique, téléportation, métrologie superrésolvante et imagerie quantique. Des efforts récents montrent une tendance à combiner la métasurface avec des photons intriqués pour des applications potentielles en optique quantique. La détection des contours est un autre facteur qui contribue au traitement d'image pour définir les limites entre les régions d'une image. C'est un outil de base en vision par ordinateur pour pré-traiter les automatisations en imagerie médicale et constitue un composant essentiel des véhicules autonomes. La détection des contours par métasurface peut être utilisée en optique quantique pour offrir des possibilités de traitement d'images et de cryptographie télécommandés. Dans ce travail, Zhou et al. a donc réalisé une source de photons intriqués par polarisation et une méthode de détection de bord optique commutable activée par métasurface à haute efficacité. La stratégie combinée a montré un rapport signal sur bruit (SNR) élevé au même niveau de flux de photons (le nombre de photons par seconde par unité de surface).
Montage expérimental et caractérisation des échantillons. (A) Configuration expérimentale de la détection des bords quantiques activée par la métasurface. BDM, miroir diélectrique à large bande; PBS, diviseur de faisceau de polarisation; DM, miroir dichromatique; FC, coupleur de fibre; BPF, filtre passe-bande; ICCD, dispositif à couplage de charge intensifié. En pompant un cristal non linéaire (cristal PPKTP en vrac à phase adaptée de type II) avec un laser 405 nm, des paires de photons polarisés orthogonalement avec une longueur d'onde de 810 nm sont générées par le processus de down-conversion spontanément paramétrique. Le trajet lumineux bleu (rouge) présente la lumière de 405 nm (810 nm). L'interrupteur de détection de bord est sur le bras d'annonce. Un système d'imagerie de détection de bord est sur le bras d'imagerie. (B) Photographie de l'échantillon de métasurface partielle. Barre d'échelle, 4 millimètres. (C) Analyse polariscopique caractérisée par des polariseurs linéaires croisés de la zone d'échantillon marquée en 2a. Les barres bleues indiquent l'orientation des nanostructures tournées en une période, qui représente la phase Pancharatnam-Berry induite par la métasurface diélectrique d'écriture laser. Barre d'échelle, 50 µm. (D) L'image de microscopie électronique à balayage de la zone de l'échantillon marquée en (C). Barre d'échelle, 1 µm. Crédit photo :Junxiao Zhou, Université de Californie, San Diego. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.abc4385
Utiliser le concept du "chat de Schrödinger"
Zhou et al. ont utilisé le concept du chat de Schrödinger pour illustrer les performances attendues du schéma de détection de contour quantique commutable. Ils ont passé en revue le principe de base de la détection des contours basé sur un éclairage classique à ondes continues (CW). Dans le montage expérimental, le bras d'imagerie de détection de contour était indépendant de la source intriquée et du bras d'annonce, ainsi que les composants de mesure de coïncidence. Lorsque les photons incidents ont atteint un état de polarisation horizontale, le faisceau de lumière illuminée a traversé une ouverture en forme de chat et une métasurface conçue pour se séparer en une image polarisée superposée à gauche et à droite avec un décalage horizontal. Les composants superposés sont ensuite passés à travers un analyseur orienté horizontalement pour former une image de « chat solide ». Si, cependant, les photons incidents étaient polarisés verticalement, les composants superposés se sont recombinés en un composant polarisé linéaire qui est complètement bloqué par l'analyseur pour ne former qu'un contour d'un chat. Les chercheurs ont donc utilisé des photons intriqués en polarisation comme source d'éclairage pour développer la détection de contours commutables quantiques de cette manière.
Le montage expérimental et les paires de photons intriqués en polarisation
Caractérisations de la source intriquée. (A) La coïncidence compte en fonction de l'angle HWP θ2 à un port de sortie en 2 s. La couleur rouge (bleu) des données de comptage et des interférences correspond aux bases de projection horizontales (diagonales). Les lignes pleines sont des ajustements sinusoïdaux aux données, les barres d'erreur sont estimées en supposant des statistiques de photons de Poisson dans le comptage de photons. Les barres d'erreur sont obtenues à partir de plusieurs mesures. (B et C) Les parties réelle et imaginaire de la matrice densité reconstruite ρ des états à deux photons, respectivement. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.abc4385
Les chercheurs ont généré des photons intriqués de polarisation à l'aide d'un processus de conversion descendante paramétrique spontanée dans un phosphate de titanyl-potassium de potassium périodiquement assorti de phase de type II de 20 mm de long (KTiOPO
À l'aide d'un séparateur de faisceau à polarisation à double longueur d'onde, ils ont séparé les paires de photons down-convertis pompés par deux faisceaux contra-propagatifs, envoyer l'un dans le bras d'imagerie et l'autre dans les bras d'annonce, respectivement. Zhou et al. a également conçu la métasurface utilisée dans la configuration en utilisant la phase Pancharatnam-Berry et l'a fabriquée en balayant un laser à impulsion femtoseconde dans une dalle de silice. Puis en microscopie électronique à balayage, ils ont observé des nanostructures auto-assemblées dans la dalle de silice et ont montré leur origine sous une irradiation laser intense pour générer la métasurface. L'équipe a brièvement décrit la préparation de l'état quantique pour les paires de photons dégénérés enchevêtrés en polarisation générées par la boucle de Signac. Ils ont utilisé l'état de Bell (l'exemple le plus simple d'intrication quantique non séparable) pour ce travail en ajustant la configuration expérimentale. Zhou et al. quantifié la qualité de l'intrication de l'état à deux photons à l'aide de la tomographie quantique et reconstruit les mesures de la matrice de densité à deux photons.
La démonstration de détection de bord commutable. (A à D) L'orientation de l'échantillon de métasurface, qui est aligné avec le plan xy. Les flèches jaunes incrustées indiquent la direction du gradient de phase de la métasurface. (E à H) Les images de l'objet entier comprenant les composants LCP et RCP séparés, qui est l'état OFF du mode de détection de front. (I à L) Les images révèlent des bords dans différentes directions, qui est l'état ON du mode de détection de front. Crédit photo :Junxiao Zhou, Université de Californie, San Diego. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.abc4385
La détection des contours quantiques activée par l'intrication a un SNR élevé. (A et C) Les images de détection des contours sont déclenchées par le détecteur d'annonce. (B et D) Images directes où l'ICCD est déclenché en interne. (C) et (D) sont pris le long des lignes pointillées blanches en (A) et (B), respectivement. Crédit: Avancées scientifiques , doi:10.1126/sciadv.abc4385
Détection des contours quantiques activée par l'intrication quantique
Après avoir confirmé la qualité des paires de photons intriqués en polarisation générées, ils ont démontré une détection de bord quantique commutable. Pour y parvenir, ils ont préparé les photons dans des états de polarisations linéaires horizontales ou verticales à l'aide de la configuration et ont couplé les photons dans la fibre et les ont envoyés au système d'image de détection de contour pour capturer l'image alternative finale via une caméra à dispositif à couplage de charge intensifié (ICCD). Par exemple, Zhou et al. obtenu deux images superposées avec un petit décalage, où la direction du décalage est alignée sur la direction du gradient de phase de la métasurface. Lorsqu'ils ont augmenté la période de la structure de la métasurface, ils ont diminué le décalage entre les deux images superposées pour obtenir une détection des contours à haute résolution. Le schéma de détection de bord quantique présentait un autre avantage en raison de son rapport signal sur bruit (SNR) élevé, où l'équipe pourrait réduire considérablement le bruit ambiant dans l'installation, où le bruit ne s'est accumulé que dans un laps de temps très court. Par contre, en optique classique, le bruit continuerait à s'accumuler. Comme preuve de concept, ils ont acquis une image de bord avec un SNR remarquable pour une détection de bord quantique expérimentale améliorée grâce à l'intrication.
Perspectives
De cette façon, Junxiao Zhou, Shikai Liu et ses collègues ont combiné la détection des contours quantiques grâce à l'intrication quantique à l'aide d'un filtre de métasurface combiné à une source à polarisation intriquée. Les métasurfaces ont fourni des éléments optiques ultrafins et légers avec des profils de phase conçus avec précision pour obtenir une variété de fonctions pour former un système plus compact et intégré. La configuration aidera à la conception d'applications de sécurité, y compris le cryptage d'images et la stéganographie. La méthode offre également un rapport signal sur bruit (SNR) attrayant adapté à une variété d'applications d'imagerie et de détection avides de photons en biomédecine, y compris le suivi des réactions enzymatiques et l'observation d'organismes vivants ou de cellules photosensibles.
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