量子糾纏是自然界的基本現(xiàn)象，也是量子力學(xué)中最引人入勝的特性之一。它描述了兩個粒子之間的關(guān)聯(lián)性——無論相隔多遠(yuǎn)，測量其中一個粒子的屬性會立即揭示另一個粒子的狀態(tài)。這一獨特性質(zhì)已被應(yīng)用于量子計算和量子通信等領(lǐng)域。

生成糾纏態(tài)的常見方法是通過非線性晶體。這類晶體通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）產(chǎn)生具有糾纏偏振態(tài)的光子對：若測得一個光子為水平偏振，另一個必然為垂直偏振，反之亦然。

與此同時，超表面（metasurfaces）——一種超薄光學(xué)器件——以其海量信息編碼能力著稱，可用于生成高分辨率全息圖。通過將超表面與非線性晶體結(jié)合，研究者探索出了一種增強(qiáng)糾纏光子態(tài)生成與控制的前沿方法。

在《先進(jìn)光子學(xué)》（Advanced Photonics）的最新研究中，來自中國香港和英國的研究團(tuán)隊提出了一種利用超表面生成量子全息圖的新方法。通過精確設(shè)計超表面納米結(jié)構(gòu)的空間取向，他們成功生成了量子全息圖，使偏振態(tài)與全息信息形成量子糾纏。

埃克塞特大學(xué)計算工程與超材料教授、論文通訊作者Jensen Li解釋道："我們證實了超表面是生成量子全息圖的多功能平臺。通過將其中一個光子投影到不同偏振態(tài)（對應(yīng)另一光子的干涉效應(yīng)），進(jìn)一步揭示了量子全息圖的糾纏特性。"

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基于超表面的量子全息圖

該方法提供了一種傳統(tǒng)材料難以實現(xiàn)的緊湊且靈活的解決方案。實驗中，研究者成功生成了與糾纏光子偏振態(tài)綁定的四個全息字母"H"、"V"、"D"和"A"。通過調(diào)節(jié)一個光子的偏振片取向，可選擇性擦除全息圖中的特定字母，實現(xiàn)了對糾纏全息信息的精準(zhǔn)操控。

除理論突破外，該研究在量子通信等應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出潛力。論文合著Hong Liang表示："通過字母與偏振態(tài)的雙重編碼，更復(fù)雜的糾纏模式有望提升量子密鑰分發(fā)的信息容量。超表面可大幅縮小量子光學(xué)系統(tǒng)體積，推動技術(shù)實用化。"

研究者還指出該技術(shù)可用于防偽領(lǐng)域。超表面本身的精密結(jié)構(gòu)已難以復(fù)制，而字母與偏振態(tài)的量子關(guān)聯(lián)特性以及全息圖間的相對相位分布，更形成了獨特的防偽特征。

論文另一合著者Wai Chun Wong補(bǔ)充："該實驗也可視為全息層面的量子擦除實驗。相比傳統(tǒng)的雙縫量子擦除裝置，我們以兩個全息圖替代雙縫，并通過糾纏光子偏振態(tài)獲取'全息圖路徑信息'。擦除這一信息會直接影響全息字母的顯現(xiàn)，這為量子基礎(chǔ)研究提供了新視角。"

這項研究展現(xiàn)了現(xiàn)代納米加工技術(shù)駕馭量子效應(yīng)實現(xiàn)應(yīng)用的可能。盡管厚度僅為納米級，超表面卻能完成傳統(tǒng)復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)才能實現(xiàn)的量子操作。該成果不僅深化了人類對量子力學(xué)的理解，更為量子信息處理領(lǐng)域開辟了新路徑。

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1117/1.AP.7.2.026006