采用光学超表面：新型干涉仪使量子光子技术更加可靠！

越来越多的新兴量子应用使用光学技术运行。从本质上讲，光子能以光速远距离传输信息，是快速安全通信和量子计算的理想选择。其中许多应用要求光子完全相同（不可区分）。如果光子不完全相同，就会导致数据出错，量子技术的可靠性就会降低。

目前，量子光子源会定期离线，使用干涉仪进行测试和调整。这需要使用不同的配置对光子进行多次比较，这一过程非常耗时，而且需要能适应各种物理排列的相对笨重的设备。

在设备运行时对光子不可分性进行实时分析，可以提高量子技术的精度。

来自澳大利亚国立大学的开创性光学技术研究中心（TMOS）ARC卓越中心（ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems）的研究人员设计并演示了一种新设备，该设备使用超薄的超光学表面一次性完成所有必要的测量。这项研究成果发表在《光学》（Optica）杂志上。

共同第一作者Jihua Zhang说：“这种超表面支持的多端口干涉仪可以一次性确定光子对的属性是否相同。它不需要使用相位或时间延迟进行多次测量，因为多端口结构允许设备同时运行测量。这就实现了实时和准确的表征。”

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(a)双光子不可区分性的超表面单次表征示意图  (b)硅超表面通过拓扑优化设计

该多端口干涉仪的一个重要优势是它是单元素的，这不仅减小了尺寸，而且与以前自由空间光学设置中的多端口干涉仪相比，使其具有超稳定性。

超光学的使用进一步减小了设备的尺寸、重量和功率，同时也降低了生产成本。平面光学元件（Flat optics）是光学系统微型化的关键，而光学系统的微型化又将带动我们日常使用的设备的微型化。

该研究的共同第一作者Jinyong Ma说：“我们创造了一种没有任何可重新配置元件的静态介电元面光栅。光栅的设计采用了多因子拓扑优化技术，即调整表面图案，使其能够以特定方式与光线相互作用。经过成功的模拟、制造和一次性校准，我们成功地确定了光子的空间模式、偏振和光谱的相似性。”

澳大利亚国立大学领导这项研究的首席研究员Andrey Sukhorukov说：“我们实验试验的成功表明，这项工作可以进一步发展，也可以测量其他光子特性的不可分性，如轨道角动量。它可以支撑超小型、高能效的光学元件，特别适用于便携式和基于卫星的自由空间量子光子技术。”

相关链接：https://phys.org/news/2024-05-quantum-photonic-technologies-reliable-interferometer.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1364/OPTICA.516064