Физики создали квантовую голограмму, используя метаповерхность для записи гибридного поляризационно-голографического состояния фотонов. При этом, когда экспериментаторы изменяли поляризацию холостого фотона, часть голограммы при проявлении оказывалась скрытой. Ученые предложили использовать новую технологию в алгоритме квантового распределения ключей BB84. Результаты исследования опубликованы в Advanced Photonics.
Гибридные запутанные состояния фотонов обещают физикам много новых возможностей: например, можно связать поляризацию одиночного фотона и орбитальный момент другого, находящегося в световом пучке, чтобы провести квантовую томографию. Однако исследование гибридной квантовой запутанности с участием пространственного голографического поля стало для ученых затруднительным из-за сложной реализации таких состояний — классический инструментарий оптических лабораторий делает экспериментальные установки слишком громоздкими и крайне неэффективными.
Здесь на помощь экспериментаторам приходят метаповерхности — структуры, состоящие из массива элементов субволновых размеров. Подобные материалы способны модулировать свет, управляя сразу несколькими характеристиками фотонов: например, могут излучать запутанные кванты с переменной длиной волны.
Дженсен Ли (Jensen Li) из Гонконгского университета науки и технологий совместно с коллегами из Великобритании и Китая использовал метаповерхность, чтобы создать квантовую голограмму на основе поляризационно-голографической запутанности — гибридного состояния, в котором связаны поляризация и сложные пространственные моды фотонов.
Для этого физики использовали метаповерхность с общим амплитудным профилем, но различными фазовыми профилями в плоскости изображения. Источником фотонов в установке стал лазерный пучок с длиной волны 405 нанометров, а генерируемые пары фотонов ученые разделили с помощью призмы и запустили в два отдельных плеча установки — сигнальное и холостое. После прохождения сигнального плеча фотон уходил в оптическое волокно длиной 10 метров и выходил навстречу метаповерхности, превращая ее в голограмму. Время, которое потратили ученые на создание одной голограммы составило около 20 минут.
Метаповерхность в сигнальном плече установки генерировала два различных голографических состояния фотонов, а те, в свою очередь, запутывались с двумя ортогональными поляризационными состояниями холостых фотонов. Такая поляризационно-голографическая запутанность позволила физикам дистанционно управлять квантовыми голограммами сигнального фотона путем изменения поляризации холостого. Например, когда исследователи измерили голограмму сигнального кванта света без поляризационной селекции холостого (попросту убрав поляризатор из установки), на выходе они получили изображение всех четырех закодированных букв «HDVA». Однако после того, как экспериментаторы вернули поляризатор на место, сигнальный фотон свернулся в суперпозицию голографических состояний — одна из букв надписи оказалась стертой. Чтобы выбрать, какую конкретно букву нужно скрыть, физики использовали различные углы поляризации в холостом плече.
Авторы работы отметили, что предложенная ими технология квантовой голографии может оказаться полезной в сфере квантового шифрования: по их собственным оценкам, использование голограмм в протоколе BB84 (подробнее об этом протоколе можно узнать в нашем материале «Квантовые технологии. Модуль 5») для квантового распределения ключей дает коэффициент битовых ошибок всего 1,5 процента, что значительно ниже требуемого порога безопасности в 11 процентов.
О том, как физики научились менять в световых импульсах все и сразу с помощью очень длинных метаповерхностей, мы писали ранее.