澳大利亞國(guó)立大學(xué)開(kāi)發(fā)出一種“量子透鏡”

近日，澳大利亞國(guó)立大學(xué)的一組國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種“量子透鏡”，這種非常規(guī)鏡頭厚度約為人類(lèi)頭發(fā)絲厚度的1/100，能夠有效傳輸和檢測(cè)光量子中編碼的信息。

這項(xiàng)研究創(chuàng)造性地將超材料和量子光學(xué)結(jié)合在一起。超材料是調(diào)控光束的有力工具，而光子是非常理想的量子信息傳輸媒介，二者的結(jié)合不僅拓寬了超材料的應(yīng)用范圍，可能也會(huì)為光量子信息處理提供新思路新方案。

所謂的“量子透鏡”本質(zhì)上是一種超表面，通過(guò)納米微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的光學(xué)超材料可以表現(xiàn)出自然材料不具備的性質(zhì)，在眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，比如用超表面制作的超透鏡未來(lái)可能會(huì)取代智能手機(jī)的鏡頭組，讓手機(jī)做得更加輕薄；高透射率的超表面也可以串聯(lián)使用成為人工智能的定制計(jì)算元件，以光速實(shí)現(xiàn)特定的計(jì)算功能。

△超材料工作原理示意圖

研究人員成功地將納米超表面應(yīng)用在量子光學(xué)信息領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了對(duì)量子態(tài)多個(gè)投影的同時(shí)成像，穩(wěn)健地重構(gòu)出多光子偏振編碼態(tài)的振幅、相位、相干性和糾纏度等。決定量子態(tài)測(cè)量的準(zhǔn)確性的一個(gè)主要因素是“投影角度”（投影基）的選取。一般而言，傳統(tǒng)的測(cè)量方法需要對(duì)量子態(tài)進(jìn)行多次投影測(cè)量，一次測(cè)量只能知道量子態(tài)諸多方面中的一個(gè)，需要多次翻轉(zhuǎn)投影角度才能完全弄清楚，既耗費(fèi)時(shí)間又無(wú)法保證精度。研究人員只使用一片極其輕薄的超表面，利用光子在光束橫截面內(nèi)的相干性，使用探測(cè)器或者相機(jī)一次性地從最充分的幾個(gè)角度觀看量子態(tài)，從而保證了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

△利用超表面實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)雙光子干涉及光子態(tài)的重構(gòu)

量子超表面使用了全介質(zhì)材料，非常容易設(shè)計(jì)成高效透射的量子成像元件，超表面上可以制作成千上萬(wàn)不同的納米微結(jié)構(gòu)，每一個(gè)都可以在亞波長(zhǎng)尺度對(duì)光進(jìn)行調(diào)控，設(shè)計(jì)靈活度非常高。將“量子透鏡”與感光成像器件結(jié)合可以極大簡(jiǎn)化相機(jī)結(jié)構(gòu)。這樣的新穎元件在未來(lái)可能被設(shè)計(jì)用于將編碼在光子數(shù)、偏振、軌道角動(dòng)量、空間等不同自由度的高維量子信息轉(zhuǎn)化為成像探測(cè)器件容易讀取的數(shù)據(jù)，從而快速穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)量子信息的讀取。