Квантові голограми на основі метаповерхонь з гібридним заплутуванням

   Принцип роботи
    Запропонована схема використовує геометричну фазову метаповерхню, яка створює дві голограми з однаковою амплітудою, але спеціально підібраними фазовими співвідношеннями (рис. 1a). Це дозволяє вибірково стирати певні елементи зображення завдяки інтерференції двох голографічних полів, що залежить від стану поляризації айлерового фотона. Процес генерування квантових голограм за допомогою метаповерхні та заплутаних фотонних пар наведено на рис. 1b.

Рисунок 1 – Схема формування голограм за допомогою метаповерхні та принципу заплутування фотонних пар. (a) Два голографічні стани, створені при освітленні світлом з ліво- та правосферичною поляризацією (LCP/RCP). Обидва голографічні поля мають однаковий розподіл амплітуди, але відрізняються спеціально налаштованими фазовими співвідношеннями. (b) Схема генерації заплутування між поляризацією та голограмою з використанням заплутаної пари фотонів і метаповерхні з геометричною фазою. Пара заплутаних фотонів (айлеровий та сигнальний) створюється у нелінійному кристалі. Сигнальний фотон проходить через метаповерхню, формуючи стан заплутування між поляризацією та голограмою. Інтеграція та обертання поляризатора в каналі айлерового фотона дає змогу виявити різний голографічний вміст сигнального фотона.

    Дизайн метаповерхні

    Метаповерхня розроблена за допомогою модифікованого алгоритму Герчберга-Сакстона (GS), який генерує фазові профілі для двох голограм із заданими амплітудними та фазовими характеристиками (рис. 2a). Профіль метаповерхні формується шляхом поєднання фазових профілів для конвергуючої та дивергуючої лінз (рис. 2b), а реалізований зразок метаповерхні представлений на SEM-зображенні на рис. 2c.

Рисунок 2 – Дизайн та реалізація метаповерхні. (a) Модифікований алгоритм Герчберга–Сакстона (GS) для розробки двох фазових профілів, які генерують дві голограми із заданим фазовим співвідношенням. Вхідними параметрами є амплітуда цільових голограм |ψ_L/R| та фазове співвідношення Arg(ψ_L / ψ_R). Виходами є два профілі фазових масок φ_Lта φ_R. (b) Профіль метаповерхні для метаповерхні з геометричною фазою. Профіль отримано шляхом поєднання φ_Lта φ_R із модифікованого GS-алгоритму з профілями збиральної та розсіювальної лінз відповідно. (c) Зображення метаповерхні, отримане за допомогою СЕМ. Метаповерхня реалізована з використанням геометричної фази. Період елементарної комірки становить 0,7 мкм, а кут обертання ґратки дорівнює половині фазового профілю.

   Експериментальна реалізація
    На рисунку 3 наведено експериментальну установку, яка включає генерацію заплутаних фотонів через нелінійний кристал та їх розділення на два канали – айлеровий та сигнальний. Сигнальний фотон взаємодіє з метаповерхнею, формуючи голограму, яка зчитується за допомогою спеціалізованої камери, корельованої з детекцією айлерового фотона. Без поляризатора в айлеровому каналі голограма демонструє всі елементи (рис. 3b), тоді як додавання поляризатора вибірково стирає окремі букви (рис. 3c-f).

Рисунок 3 – Експериментальна установка та результати формування голограм. (a) Схема експериментальної установки. Лазер з довжиною хвилі 405 нм освітлює кристал β-барію борату (BBO) типу II для генерації пари фотонів із заплутаною поляризацією: айлеровий фотон прямує у верхнє плече, сигнальний – у нижнє. Сигнальний фотон взаємодіє з метаповерхнею, а сформована голограма фіксується камерою та корелюється з детекцією айлерового фотона. (b) Голограма сигнального фотона без поляризатора (гумки) в каналі айлерового фотона. (c)–(f) Голограми за наявності різних поляризаторів у каналі айлерового фотона. Поляризатор, налаштований у горизонтальному (H), діагональному (D), вертикальному (V) та антидіагональному (A) положеннях, відповідно стирає певну літеру з голограми.

    Автори також провели аналіз інтерференційних явищ, змінюючи кут поляризатора в сигнальному каналі. Встановлено, що присутність поляризатора в айлеровому каналі активує інтерференційні ефекти між двома голограмами, що проявляється у зміні інтенсивності окремих букв (рис. 4). Без поляризатора такі інтерференційні ефекти не спостерігаються.

Рисунок 4 – Інтерференційні ефекти при зміні кута поляризації (ефект стирання). (a) Інтерферометричне голографічне зображення для різних проєкцій поляризації у сигнальному каналі, коли в айлеровий канал інтегровано поляризатор (гумку) в положенні H. (b) Зміна середньої інтенсивності окремих літер залежно від кута поляризації сигнального фотона при наявності (on) та відсутності (off) поляризатора в каналі айлерового фотона.

Дослідження демонструє потенціал використання метаповерхонь у квантовій оптиці для формування і маніпуляції квантовими голограмами з гібридним заплутуванням. Запропонована технологія відкриває нові можливості для високозахищених квантових комунікацій, антифальсифікаційних систем та досліджень фундаментальних квантових ефектів.

Джерело: Hong Liang et al., Advanced Photonics, 2025. DOI: 10.1117/1.AP.7.2.026006