由於設計的介電或金屬架構，超表面提供了獨特的平臺來實現奇異現象，包括負折射、消色差聚焦和電磁隱蔽。超表面與量子光學的交互將會帶來重大的機遇。
中國科學技術大學郭光燦院士團隊在量子超表面圖像邊緣探測實驗研究中取得重要進展，由該團隊史保森教授、周志遠副教授等與湖南大學羅海陸教授、美國加利福尼亞大學ZhaoweiLiu教授共同完成的研究，提出並演示了偏振糾纏光子源。使用該源基於高度介電的超表面將成像系統中的光學邊緣模式切換為ON或OFF狀態。該實驗豐富了量子光學和超材料的領域，成為具有顯著信噪比的量子邊緣檢測和圖像處理的有前途的方向。該研究結果論文，題為：「超表面啟用量子邊緣檢測」，發表在最近的《科學進展》上。
將量子糾纏和邊緣檢測
結合起來
光子超表面是工程化金屬或介電結構的二維（2-D）超薄陣列，可以促進對局部相位、振幅和極化的電磁場操縱，通常會為經典光學的各種應用開發這種功能。量子糾纏在量子光學中對於許多應用必不可少，包括量子密碼、隱形傳態、超分辨計量學、和量子成像。最近的努力顯示出一種趨勢，將超表面與糾纏的光子結合在一起，可在量子光學中潛在應用。
邊緣檢測是有助於圖像處理以定義圖像中區域之間的邊界的另一個因素。它是計算機視覺中用於醫學成像預處理自動化的基本工具，並且是自動駕駛汽車的重要組成部分。啟用超表面的邊緣檢測可用於量子光學中，以提供遠程控制圖像處理和加密的可能性。在這項工作中，科學家實現了一種偏振糾纏光子源和高效能超表面的可切換光學邊緣檢測方法。組合策略在相同的光子通量水平（每單位面積每秒光子數）下顯示出較高的信噪比（SNR）。
如下圖所示實驗裝置和樣品表徵。（A）啟用超表面的量子邊緣檢測的實驗裝置。BDM，寬帶介電鏡；PBS，偏振分束器；DM，雙色鏡；FC，光纖耦合器；BPF，帶通濾波器；ICCD，增強型電荷耦合器件。通過用405nm雷射器泵浦非線性晶體（II型相位匹配的大塊PPKTP晶體），通過自發的參數下轉換過程產生了810nm波長的成對正交偏振光子。藍色（紅色）光路呈現405nm（810nm）的光。邊緣檢測開關在導臂上。邊緣檢測成像系統位於成像臂上。（B）部分超表面樣品的照片。比例尺，4毫米。（C）以2a中標記的樣品區域的交叉線性偏振器為特徵的偏振分析。藍色條表示一個周期內旋轉的納米結構的方向，表示由雷射寫入介電超表面引起的Pancharatnam-Berry相。比例尺，50μm。（D）在（C）中標記的樣品區域的掃描電子顯微鏡圖像。比例：1μm。
使用「薛丁格的貓」
研究人員使用「薛丁格的貓」的概念來說明可切換量子邊緣檢測方案的預期性能。他們回顧了基於經典連續波（CW）照明的邊緣檢測的基本原理。在實驗設置中，邊緣檢測成像臂獨立於糾纏源和先驅臂，以及重合測量組件。當入射光子達到水平偏振狀態時，照明光束穿過貓形光圈和經過工程改造的超表面，以水平移動的方式分離為左手和右手重疊的偏振圖像。重疊的成分然後通過水平定向的分析儀以形成「實心貓」圖像。但是，如果入射光子是垂直偏振的，則重疊的分量會重新組合為線性偏振的分量，該線性偏振的分量會被分析儀完全阻擋，從而僅形成貓的輪廓。因此，研究人員使用偏振糾纏光子作為照明源，以這種方式開發量子可切換邊緣檢測。
如下圖所示使用「薛丁格的貓」的概念超表面的原理圖啟用量子邊緣檢測。（A）超穎表面設計用於對優選的線性極化進行邊緣檢測。|V＞，即偏振態與分析儀正交。淺紅色虛線代表電氣路徑。問號意味著先導臂的惰子光子的偏振選擇未知。如果薛丁格的貓被來自偏振糾纏源的未知線性偏振光子照亮，則圖像將是常規「實心貓」和邊緣增強的「輪廓貓」的疊加。（B）導臂的開關狀態為ON或OFF。當先驅臂的惰子光子投射到|H>時，它指示關閉狀態並導致捕獲到堅固的貓。當先驅光子投射到|V>時，在打開狀態下獲得邊緣增強的輪廓貓。（C和D）分別為薛丁格實心貓的計算結果和實驗結果。（E和F）分別為邊緣增強輪廓貓的計算結果和實驗結果。
實驗裝置和偏振糾纏光子對
如圖所示糾纏源的特徵。（A）在2s內，一個輸出埠上HWP角θ2的變化作為重合計數。計數數據的紅色（藍色）和幹涉色對應於水平（對角線）投影基準。實線是數據的正弦曲線擬合，通過假設光子計數中的泊松光子統計量來估計誤差線。誤差線是從多次測量獲得的。（B和C）分別是雙光子狀態的重構密度矩陣ρ的實部和虛部。
研究人員使用自發的參量下轉換過程在嵌入在Sagnac幹涉儀中的20毫米長的II型相匹配的周期性極化的鈦氧基磷酸鉀（KTiOPO4/PPKTP）晶體中，通過自發的參數下轉換過程產生了偏振糾纏的光子。他們將晶體的溫度設置為17攝氏度，並使用兩個寬帶介電鏡和一個雙波長偏振分束器構成了自穩定的Sagnac幹涉儀。然後，他們使用405nm的連續波單頻二極體雷射器產生泵浦光束，該光束由一對具有最佳焦距的透鏡聚焦，從而在晶體中心獲得約40微米的束腰。為了在順時針方向和逆時針方向上平衡功率，研究人員在Sagnac環前面使用了四分之一波片（QWP）和半波片（HWP）。
他們使用雙波長偏振分束器，分離了由兩個反向傳播的光束泵浦的下轉換光子對，分別送入成像臂，另一個送入先驅臂。周等。他還使用Pancharatnam-Berry相設計了用於裝置中的超穎表面，並通過在二氧化矽平板中掃描飛秒脈衝雷射來製造它。然後，使用掃描電子顯微鏡，他們觀察了二氧化矽平板中的自組裝納米結構，並在強烈的雷射輻照下顯示了其起源，從而產生了超穎表面。該團隊簡要描述了從Signac環路產生的偏振糾纏簡併光子對的量子態準備。他們通過調整實驗裝置，將貝爾狀態（不可分的量子糾纏的最簡單的例子）用於這項工作。研究人員使用量子層析成像技術量化了兩個光子狀態的糾纏質量，並重建了兩個光子密度矩陣的測量結果。
如圖所示糾纏的量子邊緣檢測具有高SNR。（A和C）邊緣檢測圖像由先導檢測器觸發。（B和D）在內部觸發ICCD的直接圖像。（C）和（D）分別沿（A）和（B）中的白色虛線截取。
如圖所示可切換邊緣檢測演示。（A到D）超表面樣本的方向，與xy平面對齊。插圖黃色箭頭指示超穎表面的相位梯度方向。（E至H）包括分離的LCP和RCP分量的整個對象的圖像，這是邊緣檢測模式的關閉狀態。（I到L）圖像顯示沿不同方向的邊緣，這是邊緣檢測模式的ON狀態。
在確認產生的偏振糾纏光子對的質量後，他們證明了可切換的量子邊緣檢測。為此，使用該裝置準備了處於水平或垂直線性極化狀態的光子，並將光子耦合到光纖中，然後將它們發送到邊緣檢測圖像系統，以通過增強型電荷耦合器件相機捕獲最終的替代圖像，獲得了兩個有微小偏移的重疊圖像，其中偏移方向與超表面的相位梯度方向對齊。當它們增加超表面結構的周期時，它們減小了兩個重疊圖像之間的偏移，從而實現了高解析度的邊緣檢測。量子邊緣檢測方案的另一個優勢是其信噪比高，團隊可以顯著降低設置中的環境噪聲，其中噪聲僅在很短的時間內累積。相反，在經典光學中，噪聲將繼續累積。作為概念證明，他們獲得了具有出色SNR的邊緣圖像，以改進能夠糾纏的實驗性量子邊緣檢測。
這樣，科學家們將超表面糾纏技術與超極化糾纏光源結合在一起，實現了量子糾纏的量子邊緣檢測。超表面為超薄輕巧的光學元件提供了經過精確設計的相位輪廓，以獲得各種功能，從而形成了更加緊湊和集成的系統。該設置將幫助構想包括圖像加密和隱寫術在內的安全應用程式。該方法還提供了一種有吸引力的信噪比，適用於生物醫學中各種需要光子的成像和傳感應用，包括跟蹤酶促反應和觀察活生物體或光敏細胞。
#量子糾纏#
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