澳大利亚国立大学开发出一种“量子透镜”

近日，澳大利亚国立大学的一组国际科研团队开发出一种“量子透镜”，这种非常规镜头厚度约为人类头发丝厚度的1/100，能够有效传输和检测光量子中编码的信息。

这项研究创造性地将超材料和量子光学结合在一起。超材料是调控光束的有力工具，而光子是非常理想的量子信息传输媒介，二者的结合不仅拓宽了超材料的应用范围，可能也会为光量子信息处理提供新思路新方案。

所谓的“量子透镜”本质上是一种超表面，通过纳米微结构实现的光学超材料可以表现出自然材料不具备的性质，在众多领域有着广泛应用，比如用超表面制作的超透镜未来可能会取代智能手机的镜头组，让手机做得更加轻薄；高透射率的超表面也可以串联使用成为人工智能的定制计算元件，以光速实现特定的计算功能。

△ 超材料工作原理示意图

研究人员成功地将纳米超表面应用在量子光学信息领域，实现了对量子态多个投影的同时成像，稳健地重构出多光子偏振编码态的振幅、相位、相干性和纠缠度等。决定量子态测量的准确性的一个主要因素是“投影角度”（投影基）的选取。一般而言，传统的测量方法需要对量子态进行多次投影测量，一次测量只能知道量子态诸多方面中的一个，需要多次翻转投影角度才能完全弄清楚，既耗费时间又无法保证精度。研究人员只使用一片极其轻薄的超表面，利用光子在光束横截面内的相干性，使用探测器或者相机一次性地从最充分的几个角度观看量子态，从而保证了测量结果的准确性。

△ 利用超表面实验实现双光子干涉及光子态的重构

量子超表面使用了全介质材料，非常容易设计成高效透射的量子成像元件，超表面上可以制作成千上万不同的纳米微结构，每一个都可以在亚波长尺度对光进行调控，设计灵活度非常高。将“量子透镜”与感光成像器件结合可以极大简化相机结构。这样的新颖元件在未来可能被设计用于将编码在光子数、偏振、轨道角动量、空间等不同自由度的高维量子信息转化为成像探测器件容易读取的数据，从而快速稳定实现量子信息的读取。