Metasurface aktiveret kvantekantdetektion

Metasurfaces giver unikke platforme til at realisere eksotiske fænomener, herunder negativ brydning, akromatisk fokusering, og elektromagnetisk tilsløring på grund af de konstruerede dielektriske eller metalliske arkitekturer. Skæringspunktet mellem metasurfaces og kvanteoptik kan føre til betydelige muligheder, der mangler at blive udforsket. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Videnskabens fremskridt , Junxiao Zhou, Shikai Liu og et forskerhold i kvanteinformation, nano-optoelektroniske enheder og computerteknik i Kina og USA foreslog og demonstrerede en polariseringsindviklet fotonkilde. De brugte kilden til at skifte den optiske kanttilstand i et billedbehandlingssystem til ON eller OFF-tilstande baseret på en meget dielektrisk metaoverflade. Eksperimentet berigede felterne for kvanteoptik og metamaterialer som en lovende retning mod kvantekantdetektion og billedbehandling med et bemærkelsesværdigt signal-til-støj-forhold.

Kombinerer kvantesammenfiltring og kantdetektion

Fotoniske metasurfaces er todimensionelle (2-D) ultratynde arrays af konstruerede metalliske eller dielektriske strukturer, der kan lette elektromagnetisk feltmanipulation af den lokale fase, amplitude og polarisering. Forskere udvikler generelt sådanne kapaciteter til en række forskellige anvendelser inden for klassisk optik. Kvantesammenfiltring er afgørende i kvanteoptik til mange applikationer, herunder kvantekryptografi, teleportering, superopløsende metrologi og kvantebilleddannelse. Nylige bestræbelser viser en tendens til at kombinere metaoverfladen med sammenfiltrede fotoner til potentielle anvendelser i kvanteoptik. Kantgenkendelse er en anden faktor, der bidrager til billedbehandling for at definere grænserne mellem områder i et billede. Det er et grundlæggende værktøj i computervision til at forbehandle automatiseringer i medicinsk billedbehandling og udgør en kritisk komponent i autonome køretøjer. Metasurface-aktiveret kantdetektion kan bruges i kvanteoptik for at tilbyde muligheder for fjernstyret billedbehandling og kryptografi. I dette arbejde, Zhou et al. har derfor realiseret en polarisations-sammenfiltret fotonkilde og højeffektiv metasurface aktiveret omskiftelig optisk kantdetektionsmetode. Den kombinerede strategi viste et højt signal-til-støj-forhold (SNR) ved det samme fotonfluxniveau (antallet af fotoner pr. sekund pr. arealenhed).

Bruger "Schrödingers kat"-konceptet

Zhou et al. brugte Schrödingers kat-konceptet til at illustrere den forventede ydeevne af det omskiftelige kvantekantdetektionsskema. De gennemgik det grundlæggende princip for kantdetektion baseret på klassisk kontinuerlig bølge (CW) lysbelysning. I forsøgsopstillingen, kantdetektionsbilledarmen var uafhængig af den sammenfiltrede kilde og den indvarskende arm, samt koincidensmålingens komponenter. Da de indfaldende fotoner opnåede en vandret polarisationstilstand, strålen af ​​oplyst lys passerede gennem en kat-formet blænde og en konstrueret metasurface for at adskilles i et venstre- og højrehåndet overlappet polariseret billede med en horisontal forskydning. De overlappede komponenter passerede derefter gennem en horisontalt orienteret analysator for at danne et 'solid cat'-billede. Hvis, imidlertid, de indfaldende fotoner var lodret polariseret, de overlappede komponenter rekombineret til en lineær polariseret komponent, der er fuldstændig blokeret af analysatoren for kun at danne et omrids af en kat. Forskerne brugte derfor polarisationsindfiltrede fotoner som en kilde til belysning til at udvikle kvanteomskiftelig kantdetektion på denne måde.

Den eksperimentelle opsætning og polarisationsindfiltrede fotonpar

Forskerne genererede polarisationsindfiltrede fotoner ved hjælp af en spontan parametrisk nedkonverteringsproces i en 20 mm lang type II fasematchet periodisk poleret kaliumtitanylphosphat (KTiOPO) ₄ /PPKTP) krystal indlejret i et Sagnac interferometer. De satte temperaturen af ​​krystallen til 17 grader Celsius og brugte to bredbånds dielektriske spejle og en dobbeltbølgelængde polarisationsstråledeler til at danne det selvstabile Sagnac interferometer. De brugte derefter en kontinuerlig bølge enkeltfrekvensdiodelaser ved 405 nm til at generere pumpestrålen fokuseret af et par linser med optimerede brændvidder for at opnå en stråletalje på ca. 40 mikron i midten af ​​krystallen. For at balancere kraften i retningen med uret og mod uret, Zhou et al. brugt en kvartbølgeplade (QWP) og en halvbølgeplade (HWP) foran Sagnac-løkken.

Ved at bruge en dobbeltbølgelængde polarisationsstråledeler, de adskilte de nedkonverterede fotonpar pumpet af to mod-udbredende stråler, at sende den ene ind i den billeddannende arm og den anden til at varsle armene, henholdsvis. Zhou et al. designet også den metasurface, der blev brugt i opsætningen ved hjælp af Pancharatnam-Berry-fasen og fremstillede den ved at scanne en femtosekund-pulslaser i en silicaplade. Derefter ved hjælp af scanningselektronmikroskopi, de observerede selvsamlede nanostrukturer i silicapladen og viste deres oprindelse under intens laserbestråling for at generere metasoverfladen. Holdet beskrev kort kvantetilstandsforberedelsen til de polarisationsindviklede degenererede fotonpar genereret fra Signac-løkken. De brugte Bell-tilstanden (det enkleste eksempel på ikke-adskillelig kvantesammenfiltring) til dette arbejde ved at justere den eksperimentelle opsætning. Zhou et al. kvantificerede sammenfiltringskvaliteten af ​​to-fotontilstanden ved hjælp af kvantetomografi og rekonstruerede to-fotondensitetsmatrixmålinger.

Kvantesammenfiltring aktiveret kvantekantdetektion

Efter at have bekræftet kvaliteten af ​​genererede polarisations-sammenfiltrede fotonpar, de demonstrerede omskiftelig kvantekantdetektion. For at opnå dette, de forberedte fotonerne i vandrette eller vertikale lineære polarisationstilstande ved hjælp af opsætningen og koblede fotonerne ind i fiberen og sendte dem til kantdetektionsbilledsystemet for at fange det endelige alternative billede via et intensiveret ladningskoblet enhedskamera (ICCD). For eksempel, Zhou et al. opnåede to overlappede billeder med et lille skift, hvor skiftretningen er justeret med fasegradientretningen af ​​metasoverfladen. Da de øgede perioden for metasurfacestrukturen, de mindskede skiftet mellem de to overlappede billeder for at opnå højopløsnings-kantdetektion. Kvantekantdetektionsskemaet havde en anden fordel på grund af dets høje signal-til-støj-forhold (SNR), hvor holdet kunne reducere den omgivende støj betydeligt i opsætningen, hvor støj kun akkumuleres i en meget kort tidsramme. Derimod i klassisk optik, støjen ville fortsætte med at akkumulere. Som proof of concept, de erhvervede et kantbillede med bemærkelsesværdig SNR for forbedret entanglement-aktiveret eksperimentel kvantekantdetektion.

Outlook

På denne måde Junxiao Zhou, Shikai Liu og kolleger kombinerede kvanteforviklingsaktiveret kvantekantdetektion ved hjælp af et metasurface-filter kombineret med en polarisations-forviklet kilde. Metaoverfladerne gav ultratynde og lette optiske elementer med præcist konstruerede faseprofiler for at opnå en række funktioner for at danne et mere kompakt og integreret system. Opsætningen vil hjælpe med udformningen af ​​sikkerhedsapplikationer, herunder billedkryptering og steganografi. Metoden tilbyder også et tiltalende signal-til-støj (SNR)-forhold, der er velegnet til en række foton-hungrende billeddannelses- og sensingapplikationer inden for biomedicin, herunder sporing af enzymatiske reaktioner og observation af levende organismer eller lysfølsomme celler.

© 2020 Science X Network