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中國留學(xué)生造“量子透鏡”：頭發(fā)絲百分之一厚，量子世界的新窗口 或許，我們是時候開發(fā)一些新的工具去探索量子世界了。這正是澳大利亞國立大學(xué)的一組國際科研團(tuán)隊正在嘗試的事情。 最近，他們就開發(fā)出一種“量子透鏡”，這種非常規(guī)鏡頭厚度約為人類頭發(fā)絲厚度的 1/100，能夠有效傳輸和檢測光量子中編碼的信息。這項研究于 9 月 14 日發(fā)表在 Science 雜志上。 論文的第一作者、來自中國的澳大利亞國立大學(xué)博士研究生王凱對 DT 君說，“‘量子透鏡’這個詞形象地描述了量子超表面的功能：它可以像鏡頭一樣用成像方法完成對光量子態(tài)的測量，幫助我們觀測奇妙的量子世界�！�  圖丨王凱（來源：澳大利亞國立大學(xué)） 值得一提的是，這項研究也創(chuàng)造性地將超材料研究和量子光學(xué)結(jié)合在了一起。超材料是調(diào)控光束的非常有力工具，而光子是非常理想的量子信息傳輸媒介，二者的結(jié)合不僅會拓寬超材料的應(yīng)用范圍，也很可能會為光量子信息處理提供新思路新方案，促進(jìn)量子光學(xué)從實驗室走向工業(yè)應(yīng)用。 超表面首次在量子領(lǐng)域大放異彩 正如上文所言，這次的“量子透鏡”，其實是一種超表面。超表面本身以往一些研究曾發(fā)現(xiàn)其存在十分有趣的經(jīng)典光學(xué)特征，如負(fù)折射率和“隱形斗篷”。  圖丨一種“隱形斗篷”的原理示意圖。（來源：Science ） 王凱向 DT 君解釋說：“超表面來自于超材料的概念。通過納米微結(jié)構(gòu)實現(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)，在多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。尤其近年來，超材料研究的一個前沿方向，是使用只有一層或幾層納米結(jié)構(gòu)的超表面。” 他介紹，超表面可實現(xiàn)經(jīng)典光學(xué)元件無法實現(xiàn)的功能。比如，用超表面制作的超透鏡未來可能會取代智能手機(jī)厚厚的鏡頭組，讓手機(jī)做得更加輕�。灰部梢宰鳛槲磥磲t(yī)療傳感器的重要部件等等。另外，高透射率的超表面也可以串聯(lián)使用成為人工智能（例如深度學(xué)習(xí)）的定制計算元件，可以節(jié)能地以光速實現(xiàn)特定的計算功能。 也正是因為看到超表面在經(jīng)典光的調(diào)控中發(fā)揮的強大作用，團(tuán)隊相信，超表面在量子光學(xué)領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用潛力，盡管這在此前尚未得到充分探索。  圖 | 基于超表面的多光子量子態(tài)測量及重構(gòu)的方法研究發(fā)表在 Science 雜志上（來源：Science） 最終，他們成功將納米超表面應(yīng)用在量子光學(xué)信息領(lǐng)域，實現(xiàn)了對量子態(tài)多個投影的同時成像，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。 在研究中，團(tuán)隊沒有照搬傳統(tǒng)的依靠分束元件或者波導(dǎo)的方式，而是充分發(fā)揮超表面的優(yōu)勢，將它作為成像元件來使用，像“拍照”一樣觀察量子世界。 但是，這樣的“量子透鏡”如何就能保證量子態(tài)測量的準(zhǔn)確性？  圖 | 超表面和糾纏光子相互作用（來源：王凱/澳大利亞國立大學(xué)） 據(jù)王凱介紹，在量子態(tài)的測量中，決定其準(zhǔn)確性的一個主要因素是“投影角度”（投影基）的選取。 “打個比方，畫一個零件圖紙的時候，會畫‘三視圖’——從正前方、正左側(cè)、正上方的視角，也就是投影。但是沒有人會愿意畫正前方、正前方往左偏移1度，正前方往上偏移 1 度的視圖，因為只觀察這樣相近的角度是無法準(zhǔn)確獲知物體形狀的。我們的量子超表面在設(shè)計中充分考慮到了這個問題，它投影基的選取遵循了量子測量中所謂的‘最優(yōu)框架’（Optimal-frame），也就是量子超表面使得后面的探測器或者相機(jī)可以一次性地從最充分的幾個角度觀看量子態(tài)，從而保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性”，王凱說。 一般而言，傳統(tǒng)的測量方法需要對量子態(tài)進(jìn)行多次投影測量，因為一次測量只能知道量子態(tài)諸多方面中的一個，就如同看一個物體的影子無法完全弄清這個物體的形狀。如果想完全弄清楚，需要多次翻轉(zhuǎn)投影的角度。但這樣的“翻轉(zhuǎn)”需要借助一些可調(diào)節(jié)的元件才能實現(xiàn)，因而存在耗時和不穩(wěn)定的情況。 “近年來，光量子領(lǐng)域開始有一些研究采用一個靜態(tài)的裝置來一次實現(xiàn)多個‘投影’，比如說，用集成光子電路一次把光子引導(dǎo)到多個出口，每個出口對應(yīng)一個‘投影角度’。但這種方法仍然需要一步步地用必要的光子干涉產(chǎn)生多個不同的‘投影角度’”。 “傳統(tǒng)的量子態(tài)測量，往往需要借助一些可調(diào)節(jié)的元件實現(xiàn)這種‘翻轉(zhuǎn)’，多次動態(tài)地改變投影的基矢。這種方法常常耗時且不穩(wěn)定”，王凱說。 因此，團(tuán)隊此次的量子超表面的又一大亮點就在于，完全不需要這些分步步驟，只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，一次性實現(xiàn)多個“投影角度”和相應(yīng)的多光子干涉，實現(xiàn)了小型化、穩(wěn)定可靠、擴(kuò)展性好的多光子態(tài)測量。 兩種測量試驗驗證“量子透鏡”效果 |
