可连续控制玻色子到费米子的量子光子-光子相互作用的非统一超表面
超材料是一种含有亚波长元素的结构材料,它能产生自然界中无法发现的波动响应。通过裁剪超材料,前所未有的特性,如负折射率,亚衍射成像和隐形隐形被证明。超表面--二维的超材料--允许我们用平面光学任意地调整经典光的波前和传播。与此同时,光子由于其相干时间长、室温稳定性好、易于操作和光速信号传输等优点,是极好的量子信息载体。利用单光子源、分束器、移相器和单光子探测器的量子光子学已经成为量子计算、量子模拟和量子通信的主要平台之一。因此,将超材料对光的无与伦比的控制与量子光学相结合,可以在量子信息应用方面带来未被探索的可能性。
量子双光子干涉(QTPI)是用于线性光学量子计算、玻色子采样、量子行走和量子通信等光子量子信息处理应用的核心操作单元。分束器是这种量子操作的关键元素。当两个不可区分的单光子同时到达50:50分束器的两个输入端口时,QTPI表现为宏欧曼德尔(HOM)效应。在原来的HOM实验中,两个光子总是聚集在一起,并离开分束器在同一个输出端口,产生一个有效的量子光子--光子之间的相互作用。然而,由于光子的玻色子性质和传统的统一分束器的固定相位响应,QTPI中的有效光子相互作用在本质上局限于聚束。由于这种相互作用是量子信息处理的终极引擎,因此在QTPI中操纵有效光子相互作用的能力是至关重要的。到目前为止,这都通过使用必要的额外纠缠资源来构建全局对称的特殊输入态来模拟费米或任何电子统计来解决。然而,这种方法必须限制整个量子电路的量子统计,并且在单个分束器水平上的局部操作是不可能的。还探索了使用多端口光通道或表面等离子体的替代方法,但它们仅限于具有极其有限可控性的特定输入和输出状态。
近日,来自美国加州大学伯克利分校的Quanwei Li等人展示了一个新的自由度(DOF),它是由一个非统一超表面来实现的,它解决了量子光学中的这一重要需求。他们实现了QTPI中临界量子相位的有意转向,它决定了两个单光子的有效相互作用,而不是它们固有的玻色子性质。这是通过亚波长尺度设计的双极本征运算来实现的,它起源于各向异性相位响应,在传统的光学元件中是不可能的。相关工作发表在《nature photonics》上。(郑江坡)
文章链接:https://doi.org/10.1038/s41566-021-00762-6
消息来源:两江科技评论