Laser & Photonics Reviews:利用非线性超材料产生和调控空间特性纠缠光子态

量子力学自二十世纪初诞生以来为人们带来了诸多颠覆性的新概念,量子纠缠正是其中最具代表性者之一。两个或以上的粒子经过一定的初始处理可进入一种貌似“超时空关联”的状态:即使它们之间分隔数十万光年,一个粒子的变化仍会瞬间影响其他粒子。这种现象曾被爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用”,故量子纠缠常以“爱因斯坦的幽灵”而闻名。光子系统是实际中常用于展示量子纠缠的平台之一,非定域的关联特性可基于光子的诸多自由度构建。近年来,光子空间模式纠缠态受到越来越多的关注,原因在于时空中存在大量的可操控自由度,如光子轨道角动量。对这些自由度进行开发可大大提升光子的信息承载能力,十分有利于诸如量子通信、量子计算等应用。

作为能够实现对光场空间特性有效且精细调控的一个重要平台,超材料这方面的优异能力此前已在经典光学领域内得以充分展现,但其量子光学方面的应用潜力尚未被深入发掘。对于由微纳天线型“人工原子”构成的超材料,其与光子的相互作用即可引入空间自由度上的纠缠。不仅如此,该方向的探索直接建立了纠缠光子态自身特性与介观结构之间的联系,或可为更进一步解开长久以来困惑人们的微观随机性与宏观确定性之间的观感矛盾提供一些思考的角度。

常熟理工学院明阳副教授、刘玉申教授与南京大学陆延青教授团队合作研究了在具有较理想光学非线性的超材料中,基于参量下转换过程产生和调控空间特性纠缠光子态。相应超材料由多层金属微纳天线超表面构成,微纳天线人工原子自身的材质、几何形状、空间取向和晶格类型均可影响超表面对电磁场的整体响应。因此通过灵活的微纳结构设计,可以有效地控制超材料中的光子非线性相互作用过程,从而根据需要规划生成光子态的空间特性。用于描述该系统的理论框架基于非线性惠更斯—菲涅耳原理与等效分束器模型结合而建立:对于前者,将每一个人工原子视为一个次级下转换波源,以哈密顿量密度描述其局域相互作用,进而对全空间积分得到所产生纠缠态的整体形式;后者用以处理系统的本征损耗。作为具体的考虑,微纳天线横向空间分布呈叉形光栅状设计的超材料被研究用于轨道角动量纠缠态的产生,通过模拟计算验证了其有效性。

相关研究成果发表于Laser & Photonics Reviews(DOI: 10.1002/lpor.201900146),并被选为当期的内封面。