Gli schemi di una metasuperficie hanno consentito il rilevamento dei bordi quantistici. (A) La metasuperficie è progettata per eseguire il rilevamento dei bordi per una polarizzazione lineare preferita. |V〉, cioè., lo stato di polarizzazione è ortogonale all'analizzatore. La linea tratteggiata rosso chiaro indica il percorso elettrico. Il punto interrogativo significa che la selezione della polarizzazione dei fotoni pigri del braccio annunciatore è sconosciuta. Se il gatto di Schrödinger è illuminato da fotoni di polarizzazione lineare sconosciuti provenienti dalla sorgente entangled di polarizzazione, l'immagine sarebbe una sovrapposizione di un normale "gatto solido" e un "gatto delineato" con bordi migliorati. (B) Lo stato dell'interruttore ON o OFF del braccio annunciatore. Quando i fotoni pigri del braccio annunciatore sono proiettati su |H〉, indica lo stato di spegnimento e porta ad un gatto solido catturato. Mentre i fotoni annunciati sono proiettati su |V〉, con lo stato di accensione si ottiene un gatto profilato con bordo accentuato. (C e D) I risultati calcolati e sperimentali di un gatto solido, rispettivamente. (E e F) I risultati calcolati e sperimentali del gatto profilato con bordo migliorato, rispettivamente. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abc4385
Le metasuperfici forniscono piattaforme uniche per realizzare fenomeni esotici tra cui la rifrazione negativa, messa a fuoco acromatica, e occultamento elettromagnetico dovuto alle architetture dielettriche o metalliche ingegnerizzate. L'intersezione di metasuperfici e ottica quantistica può portare a opportunità significative che restano da esplorare. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , Junxiao Zhou, Shikai Liu e un gruppo di ricerca sull'informazione quantistica, dispositivi nano-optoelettronici e ingegneria informatica in Cina e negli Stati Uniti hanno proposto e dimostrato una sorgente di fotoni con entanglement di polarizzazione. Hanno usato la sorgente per commutare la modalità del bordo ottico in un sistema di imaging agli stati ON o OFF in base a una metasuperficie altamente dielettrica. L'esperimento ha arricchito i campi dell'ottica quantistica e dei metamateriali come una direzione promettente verso il rilevamento dei bordi quantistici e l'elaborazione delle immagini con un notevole rapporto segnale-rumore.
Combinazione di entanglement quantistico e rilevamento dei bordi
Le metasuperfici fotoniche sono matrici ultrasottili bidimensionali (2-D) di strutture metalliche o dielettriche ingegnerizzate che possono facilitare la manipolazione del campo elettromagnetico della fase locale, ampiezza e polarizzazione. I ricercatori generalmente sviluppano tali capacità per una varietà di applicazioni nell'ottica classica. L'entanglement quantistico è essenziale nell'ottica quantistica per molte applicazioni tra cui la crittografia quantistica, teletrasporto, metrologia superrisoluzione e imaging quantistico. Sforzi recenti mostrano una tendenza a combinare la metasuperficie con fotoni entangled per potenziali applicazioni nell'ottica quantistica. Il rilevamento dei bordi è un altro fattore che contribuisce all'elaborazione delle immagini per definire i confini tra le regioni di un'immagine. È uno strumento di base nella visione artificiale per pre-elaborare le automazioni nell'imaging medico e costituisce un componente critico dei veicoli autonomi. Il rilevamento dei bordi abilitato per la metasuperficie può essere utilizzato nell'ottica quantistica per offrire possibilità di elaborazione e crittografia delle immagini controllate a distanza. In questo lavoro, Zhou et al. ha quindi realizzato una sorgente di fotoni con entanglement di polarizzazione e un metodo di rilevamento del bordo ottico commutabile abilitato per metasuperfici ad alta efficienza. La strategia combinata ha mostrato un elevato rapporto segnale-rumore (SNR) allo stesso livello di flusso di fotoni (il numero di fotoni al secondo per unità di area).
Configurazione sperimentale e caratterizzazione del campione. (A) La configurazione sperimentale della metasuperficie ha consentito il rilevamento dei bordi quantici. BDM, specchio dielettrico a banda larga; PBS, divisore del raggio di polarizzazione; DM, specchio dicromatico; FC, accoppiatore in fibra; BPF, filtro passa banda; ICCD, dispositivo accoppiato a carica intensificata. Pompando un cristallo non lineare (cristallo PPKTP bulk di tipo II) con un laser da 405 nm, coppie di fotoni polarizzati ortogonalmente con lunghezza d'onda di 810 nm vengono generate attraverso il processo di down-conversion spontaneamente parametrico. Il percorso della luce blu (rossa) presenta la luce a 405 nm (810 nm). L'interruttore di rilevamento dei bordi si trova sul braccio annunciatore. Un sistema di imaging per il rilevamento dei bordi è sul braccio di imaging. (B) Fotografia del campione di metasuperficie parziale. Barra della scala, 4mm. (C) Analisi polariscopica caratterizzata da polarizzatori lineari incrociati dell'area del campione contrassegnata in 2a. Le barre blu indicano l'orientamento delle nanostrutture ruotate in un periodo, che rappresenta la fase Pancharatnam-Berry indotta dalla metasuperficie dielettrica di scrittura laser. Barra della scala, 50 micron. (D) L'immagine al microscopio elettronico a scansione dell'area del campione contrassegnata in (C). Barra della scala, 1 micron. Credito fotografico:Junxiao Zhou, Università della California, San Diego. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abc4385
Utilizzando il concetto del "gatto di Schrödinger"
Zhou et al. ha utilizzato il concetto del gatto di Schrödinger per illustrare le prestazioni previste dello schema di rilevamento del bordo quantistico commutabile. Hanno rivisto il principio di base del rilevamento dei bordi basato sulla classica illuminazione a onda continua (CW). Nella configurazione sperimentale, il braccio di imaging per il rilevamento dei bordi era indipendente dalla sorgente impigliata e dal braccio annunciatore, così come le componenti di misurazione della coincidenza. Quando i fotoni incidenti hanno raggiunto uno stato di polarizzazione orizzontale, il raggio di luce illuminata passava attraverso un'apertura a forma di gatto e una metasuperficie ingegnerizzata per separarsi in un'immagine polarizzata sovrapposta sinistra e destra con uno spostamento orizzontale. I componenti sovrapposti sono quindi passati attraverso un analizzatore orientato orizzontalmente per formare un'immagine di "gatto solido". Se, però, i fotoni incidenti erano polarizzati verticalmente, i componenti sovrapposti si ricombinano in un componente polarizzato lineare che è completamente bloccato dall'analizzatore per formare solo un contorno di un gatto. I ricercatori hanno quindi utilizzato fotoni con entanglement di polarizzazione come fonte di illuminazione per sviluppare in questo modo il rilevamento quantistico dei bordi commutabili.
Il setup sperimentale e le coppie di fotoni entangled per polarizzazione
Caratterizzazioni della sorgente entangled. (A) La coincidenza conta in funzione dell'angolo HWP θ2 su una porta di uscita in 2 s. Il colore rosso (blu) dei dati di conteggio e dell'interferenza corrisponde alle basi di proiezione orizzontali (diagonali). Le linee continue sono adattamenti sinusoidali ai dati, le barre di errore sono stimate assumendo le statistiche dei fotoni di Poisson nel conteggio dei fotoni. Le barre di errore sono ottenute da più misurazioni. (B e C) Le parti reale e immaginaria della matrice densità ricostruita degli stati a due fotoni, rispettivamente. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abc4385
I ricercatori hanno generato fotoni entangled di polarizzazione utilizzando un processo di down-conversion parametrico spontaneo in un fosfato di potassio titanil fosfato di tipo II lungo 20 mm di lunghezza abbinata periodicamente (KTiOPO 4 /PPKTP) incorporato in un interferometro di Sagnac. Hanno impostato la temperatura del cristallo a 17 gradi Celsius e hanno utilizzato due specchi dielettrici a banda larga e un divisore del raggio di polarizzazione a doppia lunghezza d'onda per formare l'interferometro Sagnac autostabile. Hanno quindi utilizzato un laser a diodo a frequenza singola a onda continua a 405 nm per generare il raggio della pompa focalizzato da una coppia di lenti con lunghezze focali ottimizzate per ottenere una vita del raggio di circa 40 micron al centro del cristallo. Per bilanciare la potenza in senso orario e antiorario, Zhou et al. utilizzato una lamina a quarto d'onda (QWP) e una lamina a semionda (HWP) davanti al circuito di Sagnac.
Utilizzando un divisore di fascio di polarizzazione a doppia lunghezza d'onda, hanno separato le coppie di fotoni convertiti pompati da due fasci in contropropagazione, per inviare uno nel braccio dell'immagine e l'altro nei bracci dell'annuncio, rispettivamente. Zhou et al. ha anche progettato la metasuperficie impiegata nella configurazione utilizzando la fase Pancharatnam-Berry e l'ha fabbricata mediante la scansione di un laser a impulsi a femtosecondi all'interno di una lastra di silice. Quindi utilizzando la microscopia elettronica a scansione, hanno osservato nanostrutture autoassemblate nella lastra di silice e hanno mostrato la loro origine sotto un'intensa irradiazione laser per generare la metasuperficie. Il team ha descritto brevemente la preparazione dello stato quantistico per le coppie di fotoni degenerati entangled in polarizzazione generate dal loop Signac. Hanno usato lo stato di Bell (l'esempio più semplice di entanglement quantistico non separabile) per questo lavoro regolando la configurazione sperimentale. Zhou et al. ha quantificato la qualità dell'entanglement dello stato a due fotoni utilizzando la tomografia quantistica e ha ricostruito le misurazioni della matrice di densità di due fotoni.
La dimostrazione del rilevamento del bordo commutabile. (da A a D) L'orientamento del campione di metasuperficie, che è allineato con il piano xy. Le frecce gialle nel riquadro indicano la direzione del gradiente di fase della metasuperficie. (da E a H) Le immagini dell'intero oggetto che comprende i componenti LCP e RCP separati, che è lo stato OFF della modalità di rilevamento dei bordi. (da I a L) Le immagini rivelano bordi lungo direzioni diverse, che è lo stato ON della modalità di rilevamento dei bordi. Credito fotografico:Junxiao Zhou, Università della California, San Diego. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abc4385
Il rilevamento dei bordi quantici abilitato all'entanglement ha un SNR elevato. (A e C) Le immagini di rilevamento dei bordi vengono attivate dal rilevatore di annunci. (B e D) Immagini dirette in cui l'ICCD viene attivato internamente. (C) e (D) sono presi lungo le linee tratteggiate bianche in (A) e (B), rispettivamente. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abc4385
Rilevamento del bordo quantistico abilitato per l'entanglement quantistico
Dopo aver confermato la qualità delle coppie di fotoni entangled generate dalla polarizzazione, hanno dimostrato il rilevamento del bordo quantistico commutabile. Per realizzare questo, hanno preparato i fotoni in stati di polarizzazione lineare orizzontale o verticale utilizzando la configurazione e hanno accoppiato i fotoni nella fibra e li hanno inviati al sistema di immagini di rilevamento dei bordi per acquisire l'immagine alternativa finale tramite una fotocamera con dispositivo ad accoppiamento di carica intensificato (ICCD). Ad esempio, Zhou et al. ottenuto due immagini sovrapposte con un piccolo spostamento, dove la direzione dello spostamento è allineata con la direzione del gradiente di fase della metasuperficie. Quando hanno aumentato il periodo della struttura della metasuperficie, hanno diminuito lo spostamento tra le due immagini sovrapposte per ottenere il rilevamento dei bordi ad alta risoluzione. Lo schema di rilevamento del bordo quantistico aveva un altro vantaggio grazie al suo elevato rapporto segnale-rumore (SNR), dove il team potrebbe ridurre significativamente il rumore ambientale nella configurazione, dove il rumore si accumulava solo in un lasso di tempo molto breve. Al contrario, nell'ottica classica, il rumore continuerebbe ad accumularsi. Come prova del concetto, hanno acquisito un'immagine del bordo con un notevole SNR per una migliore rilevazione sperimentale dei bordi quantici abilitata all'entanglement.
Veduta
In questo modo, Junxiao Zhou, Shikai Liu e colleghi hanno combinato il rilevamento dei bordi quantici abilitato all'entanglement quantistico utilizzando un filtro di metasuperficie combinato con una sorgente entangled di polarizzazione. Le metasuperfici hanno fornito elementi ottici ultrasottili e leggeri con profili di fase progettati con precisione per ottenere una varietà di funzioni per formare un sistema più compatto e integrato. L'installazione aiuterà la concezione di applicazioni di sicurezza, compresa la crittografia delle immagini e la steganografia. Il metodo offre anche un interessante rapporto segnale-rumore (SNR) adatto per una varietà di applicazioni di imaging e rilevamento affamate di fotoni in biomedicina, compreso il monitoraggio delle reazioni enzimatiche e l'osservazione di organismi viventi o cellule fotosensibili.
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