量子突破：多功能金属膜如何改变光子学

来源：cnBeta 　2023-08-13 15:53:30

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科学家们开发出了一种多功能金属膜，能够构造单光子发射器的量子发射。这项创新实现了对量子发射的操纵，有望推动量子技术取得新进展，包括对密码学和信息安全的潜在影响。

用于任意塑造二维六方氮化硼量子发射的多功能金属膜的艺术插图。资料来源：Chi Li、Jaehyuck Jang、Trevon Badloe、Tieshan Yang、Joohoon Kim、Jaekyung Kim、Minh Nguyen、Stefan A. Maier、Junsuk Rho、Haoran Ren、Igor Aharonovich。

量子发射是实现光子量子技术的关键。固态单光子发射器（SPE），如六方氮化硼（hBN）缺陷，可在室温下工作。它们因其坚固性和亮度而备受青睐。从 SPE 收集光子的传统方法依赖于高数值孔径 (NA) 物镜或微结构天线。虽然光子收集效率很高，但这些工具无法操控量子发射。要对发射的量子光源进行任何所需的结构化处理，都需要多个笨重的光学元件，如偏振器和相位板。

在最近发表在《eLight》杂志上的一篇新论文中，莫纳什大学的 Chi Li 博士和 Haoran Ren 博士领导的一个国际科学家团队开发出了一种新型多功能金属膜，用于构造 SPE 的量子发射。以不同空间形式任意变换光束的能力对于量子光源来说至关重要。

元表面改变了光子设计的面貌。它带来了从光学成像和全息技术到激光雷达和分子传感的重大技术进步。最近，人们设计了将纳米级发射器直接集成到纳米结构谐振器和元表面的方法，以收集和演示对 SPE 发射的基本定制。这些最初的演示证明了平面光学在推动量子发射操纵方面的必要性。

研究小组通过设计和制造一种多功能金属膜来解决这一问题。韩国物理学家 Jaehyuck Jang 博士、Trevon Badloe 博士和浦项科技大学的 Junsuk Rho 教授制造出了这种新型金属膜。它可以同时调整方向性、极化和轨道角动量（OAM）自由度。他们利用金属离子演示了在室温下从氢化硼中的固相萃取物（SPEs）进行量子发射的多维结构化。

研究小组展示了量子发射方向性的任意塑造。他们还表明，可以在金属感曲线上添加不同的螺旋波面，从而在 SPE 的正交极性中产生独特的 OAM 模式。这项突破性的实验工作由 Igor Aharonovich 教授领导的悉尼科技大学和 TMOS（澳大利亚研究理事会卓越中心）完成。

所展示的多自由度量子发射任意波前整形技术可以充分释放固态 SPE 的潜力，将其用作先进量子光子应用的高维量子源。

该团队的新技术提供了一个新平台，利用超薄元光学器件在室温下实现多自由度量子发射的任意波前整形。它可能为量子信息科学领域提供新的见解。研究小组认为，操纵光子的偏振可以改善滤波效果，从而对量子密码学和纠缠分发产生重大影响。偏振分离对于未来利用氢化硼 SPE 生成偏振纠缠光子对至关重要。

金属膜的未来扩展可实现高维单光子混合量子态的产生。未来将结构化 SPE 源与可靠的传输环境（如光纤）进行整合，将有望实现信息容量更大、抗噪声能力更强、安全性更高的量子网络。

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