Αφηρημένη Οι polaritons επιφανειακού πλασμονίου (SPPs) είναι συλλογικές διεγέρσεις ελεύθερων ηλεκτρονίων που διαδίδονται κατά μήκος μιας μεταλλικής-διηλεκτρικής διεπαφής. Παρόλο που έχουν δειχθεί κάποιες βασικές κβαντικές ιδιότητες των SPP, όπως η διατήρηση της εμπλοκής, η δυαδικότητα των κυμάτων-σωματιδίων ενός μόνο πλασμώματος, η κβαντική παρεμβολή δύο πλασμίων και η επαλήθευση της δημιουργίας εμπλοκών, έχουν προκύψει ακόμη πιο προηγμένα πρωτόκολλα κβαντικής πληροφορίας για επίδειξη με SPPs. Εδώ, πραγματοποιούμε πειραματικά την τηλεμεταφορά κβαντικής κατάστασης μεταξύ μεμονωμένων φωτονίων και SPPs. Για να το επιτύχουμε αυτό, χρησιμοποιούμε ζεύγη φωτονίων που εμπλέκονται στην πόλωση, συνεκτική μετατροπή φωτονίων-πλασμώματος-φωτονίου σε μια μεταλλική διάταξη οπών υπο-μήκους κύματος, πλήρεις μετρήσεις κατάστασης Bell και μια ενεργή τεχνική προώθησης τροφοδοσίας. Τα αποτελέσματα τόσο της κβαντικής κατάστασης όσο και της κβαντικής τομογραφίας διεργασίας επιβεβαιώνουν την κβαντική φύση της τηλεμεταφοράς μέσω της SPP. Μέση κρατική πιστότηταΕπιτυγχάνονται \ (0,889 \ pm 0,004 \) και μια πιστότητα διεργασίας \ (0,820 \ pm 0,005 \) , που είναι πολύ πάνω από το κλασικό όριο. Η δουλειά μας δείχνει ότι τα SPPs μπορεί να είναι χρήσιμα για την υλοποίηση σύνθετων κβαντικών πρωτοκόλλων σε ένα φωτονικό-πλασμικό υβριδικό κβαντικό δίκτυο. Εισαγωγή Η υβριδική φύση της ελαφριάς ύλης των επιφανειακών πλασμονίων (SPPs) επιτρέπει στο φως να περιορίζεται κάτω από το όριο περίθλασης, ανοίγοντας τη δυνατότητα ολοκλήρωσης φωτονικής συσκευής μήκους κύματος 1 . Οι κβαντικές ιδιότητες των SPPs προέρχονται από κβαντικά επιφανειακά κύματα πλάσματος και πολλά κβαντικά μοντέλα έχουν προταθεί για να περιγράψουν το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο ενός πλασμώματος 2 , 3 . Η κβαντοποίηση των SPPs έχει παρακινήσει πολλούς ερευνητές να διερευνήσουν τα θεμελιώδη κβαντικά φαινόμενα που σχετίζονται με αυτά, για παράδειγμα, μετάδοση με εμπλοκή φωτονίων 4 , 5 , δημιουργία και ανίχνευση κατάστασης ενός πλασμώνα 6 , 7, κβαντικές στατιστικές και παρεμβολές στα πλασμικά συστήματα 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , κβαντικές λογικές λειτουργίες 14 , αντι-συγχώνευση των SPPs παρουσία των απωλειών 15 και κβαντική πλασματική κατάσταση N00N για την κβαντική ανίχνευση 16 . Για κριτικές, ανατρέξτε στην Αναφορά 17 , 18 . Πρόσφατα, διερευνήθηκαν επίσης ορισμένες κβαντικές ιδιότητες νέων πλασμικών μετα-υλικών, όπως συνεκτική τέλεια απορρόφηση σε πλασμικά μετα-υλικά με εμπλεγμένα φωτόνια 19 , δοκιμή υπερ-πολύπλοκων κβαντικών θεωριών με αρνητικά διαθλαστικά δείγματα μετα-υλικών 20και τον ενεργό έλεγχο των πλασμικών μετα-υλικών που λειτουργούν στο κβαντικό καθεστώς 21 . Αυτά τα έργα μας παρακινούν να μελετήσουμε και να χρησιμοποιήσουμε τις κβαντικές ιδιότητες των SPP σε πιο προηγμένα πρωτόκολλα κβαντικής πληροφορίας. Η κβαντική τηλεμεταφορά χρησιμοποιεί την εμπλοκή ως πόρο για τη πιστή μεταφορά άγνωστων κβαντικών καταστάσεων μεταξύ απομακρυσμένων κόμβων. Από τότε που παρουσιάστηκε για πρώτη φορά από τους Bennett et al. 22 και πραγματοποιήθηκε πειραματικά χρησιμοποιώντας φωτονικά qubits 23 , 24 , η κβαντική τηλεμεταφορά έχει γίνει το βασικό πρωτόκολλο για τη δημιουργία παγκόσμιων κβαντικών δικτύων 25 , 26 . Η απόσταση τηλεμεταφοράς έχει αυξηθεί σημαντικά τις τελευταίες δύο δεκαετίες 27 , 28 , 29 , 30 , 31και πρόσφατα επεκτάθηκε με επιτυχία σε περισσότερα από χίλια χιλιόμετρα από το έδαφος σε δορυφόρο 32 . Για τη δημιουργία ενός κβαντικού δικτύου με περισσότερες λειτουργίες, απαιτούνται διάφορα φυσικά συστήματα με μεμονωμένα πλεονεκτήματα όσον αφορά τη μεταφορά και την επεξεργασία της κβαντικής κατάστασης. Αποτελέσματα Το εννοιολογικό σχήμα του SPP μεσολαβεί στην κβαντική τηλεμεταφορά Εμείς πειραματικά συνειδητοποιούν την κβαντική κατάσταση τηλεμεταφοράς ενός φωτονίου σε ένα μόνο SPP, το οποίο είναι ένα ενιαίο qubit που αποτελείται από συλλογικών ηλεκτρονικών διεγέρσεων που κατά κανόνα συνεπάγεται ηλεκτρόνια 17 . Το σχέδιό μας βασίζεται σε τρία qubit, το οποίο προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Popescu 33 και υλοποιήθηκε σε πείραμα από τους Boshi et al. 24 . Το εννοιολογικό πλαίσιο του πειράματός μας με το σχήμα τριών qubit φαίνεται στο σχήμα 1 α. Η εμπλοκή μεταξύ των qubits 1 (Q1) και 2 (Q2), που χρησιμεύει ως κβαντικό κανάλι, δημιουργείται από την πηγή των εμπλεκόμενων ζευγών φωτονίων και διανέμεται στην Alice και τον Bob. Μια κατάσταση εισαγωγής του qubit 0 (Q0) αποστέλλεται στην Alice. Η Αλίκη εκτελεί μέτρηση κατάστασης Bell (BSM) 24 ∼ 10 6 , προβάλλοντας Q0 και Q1 τυχαία σε μία από τις τέσσερις καταστάσεις Bell, η καθεμία με πιθανότητα 25%. Στη συνέχεια, τα αποτελέσματα του BSM αποστέλλονται στον Bob μέσω ενός καναλιού κλασικής επικοινωνίας (CC). Το Q2 αποστέλλεται σε ένα δείγμα συστοιχίας τρύπας μήκους κύματος με σχέδιο σε μια χρυσή μεμβράνη στην τοποθεσία του Bob για τη διευκόλυνση της μετατροπής φωτονίου-SPP-φωτονίου 34 . Εκεί, η κβαντική κατάσταση του Q2 μεταφέρεται στο qubit 3 (Q3), που μεταφέρεται από ένα μόνο SPP. Αυτό το SPP διαδίδεται κατά μήκος της επιφάνειας του δείγματος και στη συνέχεια συνδέεται με ένα οπτικό φωτόνιο (Q4), το οποίο ακτινοβολεί προς ανιχνευτές στο μακρινό πεδίο. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα του BSM, οι αντίστοιχοι ενιαίοι μετασχηματισμοί (UTs) εφαρμόζονται στο Q4. Τέλος, εκτελούμε τομογραφία κβαντικής κατάστασης (QST) 35 , 36 στο Q4 και επαληθεύστε εάν η τηλεμεταφορά κβαντικής κατάστασης από ένα μόνο φωτόνιο σε ένα SPP είναι επιτυχής αξιολογώντας την πιστότητα της κβαντικής κατάστασης από Q4 έως Q0 και την πιστότητα της κβαντικής διαδικασίας ολόκληρης της διαδικασίας. Διάταξη οπών υποβρύχιου μήκους και χαρακτηρισμός της Το Σχήμα 1 b δείχνει μια εικόνα μικροσκοπίας ηλεκτρονικής σάρωσης (SEM) της συστοιχίας οπών μήκους κύματος που χρησιμοποιείται στο πείραμά μας. Το χρυσό φιλμ είναι διάτρητο σε μια τετραγωνική περιοχή με περιοδικές συστοιχίες οπών χρησιμοποιώντας μια εστιασμένη δέσμη ιόντων. Η διάμετρος της οπής και η περίοδος είναι 200 nm και 700 nm, αντίστοιχα. Το πάχος της μεταλλικής μεμβράνης μας είναι 150-nm. Παρόλο που η συστοιχία οπών μειώνει την άμεση μετάδοση φωτονίων, επιτρέπει τη διέγερση συντονισμού του SPP 34 . 189 × 189 μ Μ 2 Το φάσμα μετάδοσης του δείγματος μας φαίνεται στο Σχ. 1 c και έχει μια κορυφή κεντραρισμένη στα 809 nm περίπου με πλήρες πλάτος στο μισό μέγιστο (FWHM) . Η μέγιστη μετάδοση του δείγματος στα 809 nm είναι περίπου 0,8%. Η εξαιρετική οπτική μετάδοση (EOT) που παρατηρείται στις συστοιχίες οπών υποβρύχιου μήκους κύματος είναι ένα τυπικό φαινόμενο συντονισμού συντονισμού που προκύπτει από την εποικοδομητική παρεμβολή όταν τα φωτόνια διέρχονται από τις οπές 34 , 37 . Σε σύγκριση με άλλα έργα 4 , 34 , η συνολική μετάδοση του δείγματος μας είναι ελαφρώς χαμηλότερη. Ο λόγος είναι ότι το φάσμα μετάδοσης είναι πολύ ευαίσθητο στις γεωμετρικές παραμέτρους του συστήματος 37 ∼ 70 νμ , 38 . Οι ατέλειες κατά τη διάρκεια της κατασκευής μπορούν να οδηγήσουν στο σχήμα της οπής, στην περίοδο του πλέγματος καθώς και στο πάχος και την ομαλότητα του χρυσού φιλμ που απομακρύνεται από τις ονομαστικές ρυθμίσεις, με αποτέλεσμα την χαμηλή μετάδοση 39 . Ακόμη και ο καθορισμός των ίδιων παραμέτρων, η μετάδοση δειγμάτων που κατασκευάστηκαν σε διαφορετικούς χρόνους έχει κάποιες εμφανείς διαφορές και είναι χαμηλότερη από 3% λόγω των ατελειών κατασκευής 4 . Ωστόσο, χρησιμοποιούμε μόνο τις πληροφορίες συχνότητας, δηλαδή τη θέση αιχμής, αντί της μετάδοσης στο πείραμα τηλεμεταφοράς μας. Αν και η συνολική μας μετάδοση είναι μικρότερη από 2,5%, είναι ακόμη μεγαλύτερη από την τιμή που προβλέπει η τυπική θεωρία διαφράγματος 34, που δείχνει ότι ο ΕΟΤ συμβαίνει στο δείγμα μας. Οι καμπύλες μετάδοσης για διαφορετικές πόλωση φωτός είναι παρόμοιες, υποδηλώνοντας ότι το δείγμα μας είναι σχεδόν ανεξάρτητο από πόλωση. Η μη ευαισθησία πόλωσης οφείλεται στη συμμετρία του τετραγωνικού δικτυωτού πλέγματος, όπως έχει αποδειχθεί σε προηγούμενα έργα 38 , 40 , 41 . Ένας αριθμητικός υπολογισμός που βασίζεται στη γεωμετρία της συστοιχίας και στην αντιστοίχιση των κυμάτων κυμάτων δείχνει ότι αυτή η κορυφή συνδέεται με τις λειτουργίες SPP ( ) στη διεπαφή γυαλιού-μετάλλου 42 . Αυτοί οι τρόποι μπορούν να διεγείρουν τα SPP που διαδίδονται κατά μήκος των τεσσάρων διαγώνιων κατευθύνσεων. Μετράμε πειραματικά τη διάδοση του SPP με ένα λέιζερ και μια συσκευή συζευγμένης φόρτισης (CCD), όπως φαίνεται στο Σχ. ± 1 , ± 1 1 δ. Εφαρμόζοντας τη διάδοση SPP κατά μήκος της διαγώνιας κατεύθυνσης, εκτιμούμε ότι το μήκος αποσύνθεσης 1 / e της πλασματικής λειτουργίας είναι . Ανατρέξτε στις Συμπληρωματικές πληροφορίες για περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με την αριθμητική προσομοίωση, το σχεδιασμό της διάταξης οπών και τους χαρακτηρισμούς αυτής της συσκευής. ∼ 4.48 ± 0,50 μ Μ Πραγματοποίηση κβαντικής τηλεμεταφοράς μεταξύ φωτονίου και SPP Το σχήμα 1 ε παρουσιάζει μια διάταξη της πειραματικής μας ρύθμισης. Τα εμπλεκόμενα ζεύγη φωτονίων δημιουργούνται από αυθόρμητη παραμετρική μετατροπή προς τα κάτω, η οποία πραγματοποιείται ενσωματώνοντας έναν περιοδικά πολωμένο κρύσταλλο (PPKTP) σε ένα παρεμβολόμετρο Sagnac 43 , 44 . Η κβαντική κατάσταση των φωτονίων Α και Β είναι παρόμοια με την απλή κατάσταση: KTiOPO 4 | Ψ - ⟩ ΕΝΑ σι = 1 √ 2 ( | Η ⟩ ΕΝΑ | Β ⟩ σι - | Β ⟩ ΕΝΑ | Η ⟩ σι ) , (1) που έχει πιστότητα περίπου . ( ) υποδηλώνει την οριζόντια (κατακόρυφη) κατάσταση πόλωσης του φωτονίου A. Η ίδια σημείωση χρησιμοποιείται για το φωτονίο Β. Λαμβάνουμε σύμπτωση μετρά με ρυθμό περίπου 100 kHz με ισχύ αντλίας 20 mW. 98 % | Η ⟩ ΕΝΑ | Β ⟩ Φιγούρα Φιγούρα 1
No comments:
Post a Comment