量子突破：多功能金屬膜如何改變光子學(xué)

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科學(xué)家們開發(fā)出了一種多功能金屬膜，能夠構(gòu)造單光子發(fā)射器的量子發(fā)射。這項(xiàng)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了對(duì)量子發(fā)射的操縱，有望推動(dòng)量子技術(shù)取得新進(jìn)展，包括對(duì)密碼學(xué)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(shù)插圖。資料來(lái)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(shí)現(xiàn)光子量子技術(shù)的關(guān)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(jiān)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(gòu)天線。雖然光子收集效率很高，但這些工具無(wú)法操控量子發(fā)射。要對(duì)發(fā)射的量子光源進(jìn)行任何所需的結(jié)構(gòu)化處理，都需要多個(gè)笨重的光學(xué)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(xué)的 Chi Li 博士和 Haoran Ren 博士領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種新型多功能金屬膜，用于構(gòu)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(duì)于量子光源來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

元表面改變了光子設(shè)計(jì)的面貌。它帶來(lái)了從光學(xué)成像和全息技術(shù)到激光雷達(dá)和分子傳感的重大技術(shù)進(jìn)步。最近，人們?cè)O(shè)計(jì)了將納米級(jí)發(fā)射器直接集成到納米結(jié)構(gòu)諧振器和元表面的方法，以收集和演示對(duì) SPE 發(fā)射的基本定制。這些最初的演示證明了平面光學(xué)在推動(dòng)量子發(fā)射操縱方面的必要性。

研究小組通過(guò)設(shè)計(jì)和制造一種多功能金屬膜來(lái)解決這一問題。韓國(guó)物理學(xué)家 Jaehyuck Jang 博士、Trevon Badloe 博士和浦項(xiàng)科技大學(xué)的 Junsuk Rho 教授制造出了這種新型金屬膜。它可以同時(shí)調(diào)整方向性、極化和軌道角動(dòng)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(jìn)行量子發(fā)射的多維結(jié)構(gòu)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(dú)特的 OAM 模式。這項(xiàng)突破性的實(shí)驗(yàn)工作由 Igor Aharonovich 教授領(lǐng)導(dǎo)的悉尼科技大學(xué)和 TMOS（澳大利亞研究理事會(huì)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(shù)可以充分釋放固態(tài) SPE 的潛力，將其用作先進(jìn)量子光子應(yīng)用的高維量子源。

該團(tuán)隊(duì)的新技術(shù)提供了一個(gè)新平臺(tái)，利用超薄元光學(xué)器件在室溫下實(shí)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(xué)領(lǐng)域提供新的見解。研究小組認(rèn)為，操縱光子的偏振可以改善濾波效果，從而對(duì)量子密碼學(xué)和糾纏分發(fā)產(chǎn)生重大影響。偏振分離對(duì)于未來(lái)利用氫化硼 SPE 生成偏振糾纏光子對(duì)至關(guān)重要。

金屬膜的未來(lái)擴(kuò)展可實(shí)現(xiàn)高維單光子混合量子態(tài)的產(chǎn)生。未來(lái)將結(jié)構(gòu)化 SPE 源與可靠的傳輸環(huán)境（如光纖）進(jìn)行整合，將有望實(shí)現(xiàn)信息容量更大、抗噪聲能力更強(qiáng)、安全性更高的量子網(wǎng)絡(luò)。

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