▍導(dǎo)讀

澳大利亞莫納什大學(xué)的Haoran Ren博士、Chi Li博士和悉尼科技大學(xué)的Igor Aharonovich教授、韓國浦項(xiàng)工業(yè)大學(xué)Junsuk Rho教授等合作，報(bào)道了一種新型多功能超透鏡，用于多維度光量子的操控。該新型超透鏡可在室溫下同時(shí)調(diào)制光量子的方向性、偏振態(tài)和軌道角動(dòng)量自由度。

該成果發(fā)表在期刊eLight，題為“Arbitrarily structured quantum emission with a multifunctional metalens”。

▍量子光源

光子又稱光量子，最早于1905年由愛因斯坦提出并證實(shí)，是光在其電磁波頻率下的最小能量單元。光子可以攜帶信息、能量和動(dòng)量，從而實(shí)現(xiàn)光與物質(zhì)的交互。量子光源（單光子源）區(qū)別于傳統(tǒng)的白熾燈，熒光燈，以及激光，脈沖激光等光源，前者在時(shí)間上每次僅發(fā)射一個(gè)光子，先后出發(fā)的光子在空間上形成一束光子流 （如圖1所示）。這類特殊的光源是量子信息，量子通訊和量子計(jì)算等技術(shù)的核心。光量子技術(shù)的大規(guī)模推廣和應(yīng)用離不開器件的微型化和多功能化。例如我們熟知的電子設(shè)備，近幾十年來在體積變小的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了更強(qiáng)大和更豐富的功能。相較之下，量子光源的操控仍依賴于傳統(tǒng)光學(xué)器件，如透鏡、分束器、偏振器等，不但體積巨大，往往只能對光量子的某一屬性進(jìn)行單一的操作，難以滿足復(fù)雜光量子調(diào)控的需求。

圖1：固態(tài)單光子發(fā)射器示意圖。

固態(tài)單光子發(fā)射器（SPE），例如二維材料六方氮化硼（hBN）中的色心，可在室溫下運(yùn)行，并且由于其穩(wěn)健性和亮度而備受推崇。從SPE收集光子的傳統(tǒng)方式依賴于高數(shù)值孔徑（NA）的透鏡。雖然這種方式的光子收集效率很高，但缺乏多維度操縱的能力。例如為了實(shí)現(xiàn)光量子的任意相位調(diào)控，需要級聯(lián)多個(gè)厚重的光學(xué)元件，如偏振器和相位板等。

近年來，超透鏡（metalens）作為一種新型的超薄平面光學(xué)器件，引起了廣泛的關(guān)注和研究。超透鏡是利用亞波長尺度的人工結(jié)構(gòu)（超表面）來實(shí)現(xiàn)對入射光的相位、振幅和偏振等屬性的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)聚焦、成像、調(diào)制等功能。超透鏡微型光量子操控平臺(tái)具有體積小、重量輕、成本低、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，為緊湊化和多功能化的光學(xué)系統(tǒng)提供了新的可能。

▍微型光量子操控平臺(tái)

針對上述問題，澳大利亞莫納什大學(xué)的Haoran Ren博士、Chi LI博士領(lǐng)銜的國際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種全新的多功能超透鏡，實(shí)現(xiàn)了室溫下對hBN中SPEs的多維度量子操控。這個(gè)新超透鏡可以同時(shí)調(diào)節(jié)單光子的方向性、偏振態(tài)和軌道角動(dòng)量等自由度 （如圖2A 所示）。超透鏡的多功能性是通過對超透鏡中每一個(gè)納米結(jié)構(gòu)賦予多個(gè)獨(dú)立功能并最終疊加實(shí)現(xiàn)的，即賦予所有空間位置的納米結(jié)構(gòu)以獨(dú)立的相位調(diào)節(jié)能力（圖2 B,C）。通過引入不同的螺旋波前，可在不同的正交偏振中產(chǎn)生獨(dú)特的軌道角動(dòng)量模式（圖2C，甜甜圈形狀）。

圖2：超透鏡單光子調(diào)控示意圖。A：調(diào)控維度展示。超透鏡多功能實(shí)現(xiàn)方案，B、C：方向性。

▍前景展望

該團(tuán)隊(duì)展示了量子發(fā)射在多個(gè)自由度上任意波前塑形的能力，可以釋放固態(tài)單光子發(fā)射器作為高維量子源用于先進(jìn)量子光學(xué)應(yīng)用的全部潛力。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，偏振分離對于將來使用hBN SPEs進(jìn)行偏振糾纏至關(guān)重要。操控光子偏振態(tài)可顯著影響量子密碼學(xué)和糾纏態(tài)分發(fā)。超透鏡未來可實(shí)現(xiàn)高維單光子混合量子態(tài)的生成。將基于結(jié)構(gòu)光的量子光源與可靠的傳輸環(huán)境（例如光纖）進(jìn)行集成，可以實(shí)現(xiàn)具有更高信息容量、噪聲魯棒性和更好安全性的量子網(wǎng)絡(luò)。

| 論文信息 |

Li, C., Jang, J., Badloe, T. et al. Arbitrarily structured quantum emission with a multifunctional metalens. eLight 3, 19 (2023). 

https://doi.org/10.1186/s43593-023-00052-4

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