Metasurfaces fornecem plataformas únicas para perceber fenômenos exóticos, incluindo refração negativa, focalização acromática, e encobrimento eletromagnético devido às arquiteturas dielétricas ou metálicas projetadas. A interseção de metassuperfícies e óptica quântica pode levar a oportunidades significativas que ainda precisam ser exploradas. Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Junxiao Zhou, Shikai Liu e uma equipe de pesquisa em informação quântica, dispositivos nanooptoeletrônicos e engenharia de computação na China e nos EUA propuseram e demonstraram uma fonte de fótons emaranhados por polarização. Eles usaram a fonte para alternar o modo de borda óptica em um sistema de imagem para os estados ON ou OFF com base em uma metassuperfície altamente dielétrica. O experimento enriqueceu os campos da óptica quântica e metamateriais como uma direção promissora para a detecção de bordas quânticas e processamento de imagem com uma relação sinal-ruído notável.

Combinando emaranhamento quântico e detecção de borda

Metassuperfícies fotônicas são matrizes ultrafinas bidimensionais (2-D) de estruturas metálicas ou dielétricas projetadas que podem facilitar a manipulação do campo eletromagnético da fase local, amplitude e polarização. Os pesquisadores geralmente desenvolvem esses recursos para uma variedade de aplicações em óptica clássica. O emaranhamento quântico é essencial na óptica quântica para muitas aplicações, incluindo criptografia quântica, teletransporte, metrologia superresolvente e imagem quântica. Esforços recentes mostram uma tendência de combinar a metassuperfície com fótons emaranhados para aplicações potenciais em óptica quântica. A detecção de bordas é outro fator que contribui para o processamento da imagem para definir os limites entre as regiões em uma imagem. É uma ferramenta básica em visão computacional para pré-processar automações em imagens médicas e forma um componente crítico de veículos autônomos. A detecção de bordas habilitada para metassuperfície pode ser usada em óptica quântica para oferecer possibilidades de criptografia e processamento de imagem por controle remoto. Nesse trabalho, Zhou et al. portanto, percebeu-se que uma fonte de fótons emaranhados por polarização e uma metassuperfície de alta eficiência habilitaram o método de detecção de borda óptica comutável. A estratégia combinada mostrou uma alta relação sinal-ruído (SNR) no mesmo nível de fluxo de fótons (o número de fótons por segundo por unidade de área).

Usando o conceito do "gato de Schrödinger"

Zhou et al. usou o conceito do gato de Schrödinger para ilustrar o desempenho esperado do esquema de detecção de borda quântica comutável. Eles revisaram o princípio básico de detecção de borda com base na iluminação de luz de onda contínua clássica (CW). Na configuração experimental, o braço de imagem de detecção de borda era independente da fonte emaranhada e do braço anunciador, bem como os componentes de medição de coincidência. Quando os fótons incidentes alcançaram um estado de polarização horizontal, o feixe de luz iluminada passou por uma abertura em forma de gato e uma metassuperfície projetada para se separar em uma imagem polarizada sobreposta à esquerda e à direita com um deslocamento horizontal. Os componentes sobrepostos então passaram por um analisador orientado horizontalmente para formar uma imagem de 'gato sólido'. Se, Contudo, os fótons incidentes foram polarizados verticalmente, os componentes sobrepostos recombinados em um componente linear polarizado que é completamente bloqueado pelo analisador para formar apenas o contorno de um gato. Os pesquisadores, portanto, usaram fótons emaranhados por polarização como fonte de iluminação para desenvolver a detecção quântica de bordas comutáveis ​​desta forma.

A configuração experimental e pares de fótons emaranhados por polarização

Os pesquisadores geraram fótons emaranhados de polarização usando um processo de conversão paramétrica espontânea em um fosfato de titanil de potássio periodicamente polido (KTiOPO) de 20 mm de comprimento tipo II. ₄ / PPKTP) cristal embutido em um interferômetro Sagnac. Eles ajustaram a temperatura do cristal em 17 graus Celsius e usaram dois espelhos dielétricos de banda larga e um divisor de feixe de polarização de comprimento de onda duplo para formar o interferômetro Sagnac autoestável. Eles então usaram um laser de diodo de frequência única de onda contínua em 405 nm para gerar o feixe de bomba focado por um par de lentes com comprimentos focais otimizados para atingir uma cintura de feixe de aproximadamente 40 mícrons no centro do cristal. Para equilibrar a potência nas direções horário e anti-horário, Zhou et al. usou uma placa de um quarto de onda (QWP) e uma placa de meia onda (HWP) na frente do loop de Sagnac.

Usando um divisor de feixe de polarização de comprimento de onda duplo, eles separaram os pares de fótons convertidos, bombeados por dois feixes de contra-propagação, para enviar um para o braço de imagem e o outro para os braços anunciadores, respectivamente. Zhou et al. também projetou a metassuperfície empregada na configuração usando a fase Pancharatnam-Berry e a fabricou digitalizando um laser de pulso de femtossegundo dentro de uma placa de sílica. Então, usando microscopia eletrônica de varredura, eles observaram nanoestruturas automontadas na placa de sílica e mostraram sua origem sob intensa irradiação a laser para gerar a metassuperfície. A equipe descreveu brevemente a preparação do estado quântico para os pares de fótons degenerados emaranhados de polarização gerados a partir do loop Signac. Eles usaram o estado de Bell (o exemplo mais simples de emaranhamento quântico não separável) para este trabalho, ajustando a configuração experimental. Zhou et al. quantificou a qualidade de emaranhamento do estado de dois fótons usando tomografia quântica e reconstruiu medições de matriz de densidade de dois fótons.

Detecção de borda quântica habilitada para entrelaçamento quântico

Depois de confirmar a qualidade dos pares de fótons emaranhados por polarização gerados, eles demonstraram detecção de borda quântica comutável. Para conseguir isso, eles prepararam os fótons em estados de polarização linear horizontal ou vertical usando a configuração e acoplaram os fótons na fibra e os enviaram para o sistema de imagem de detecção de borda para capturar a imagem alternativa final por meio de uma câmera intensificada de dispositivo de carga acoplada (ICCD). Por exemplo, Zhou et al. obteve duas imagens sobrepostas com uma pequena mudança, onde a direção do deslocamento está alinhada com a direção do gradiente de fase da metassuperfície. Quando eles aumentaram o período da estrutura metassuperficial, eles diminuíram o deslocamento entre as duas imagens sobrepostas para obter detecção de borda de alta resolução. O esquema de detecção de borda quântica tinha outra vantagem devido à sua alta relação sinal-ruído (SNR), onde a equipe pode reduzir significativamente o ruído ambiente na configuração, onde o ruído só se acumulou em um período de tempo muito curto. Por contraste, na ótica clássica, o ruído continuaria a se acumular. Como prova de conceito, eles adquiriram uma imagem de borda com SNR notável para detecção de borda quântica experimental habilitada para emaranhamento aprimorada.

Panorama

Desta maneira, Junxiao Zhou, Shikai Liu e seus colegas combinaram a detecção de borda quântica habilitada para emaranhamento quântico usando um filtro de metassuperfície combinado com uma fonte de emaranhamento de polarização. As metassuperfícies forneceram elementos óticos ultrafinos e leves com perfis de fase precisamente projetados para obter uma variedade de funções para formar um sistema mais compacto e integrado. A configuração ajudará na concepção de aplicativos de segurança, incluindo criptografia de imagens e esteganografia. O método também oferece uma relação sinal-ruído (SNR) atraente, adequada para uma variedade de aplicações de imagem e detecção com fome de fótons em biomedicina, incluindo rastreamento de reações enzimáticas e observação de organismos vivos ou células fotossensíveis.

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