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    Detección cuántica de bordes habilitada por metauperficie

    Los esquemas de una metasuperficie permitieron la detección de bordes cuánticos. (A) La metasuperficie está diseñada para realizar la detección de bordes para una polarización lineal preferida. | V〉, es decir., El estado de polarización es ortogonal al analizador. La línea roja discontinua representa la ruta eléctrica. El signo de interrogación significa que se desconoce la selección de polarización de los fotones inactivos del brazo anunciador. Si el gato de Schrödinger está iluminado por fotones de polarización lineal desconocidos de la fuente entrelazada de polarización, la imagen sería una superposición de un "gato sólido" normal y un "gato perfilado" con bordes mejorados. (B) El estado del interruptor ENCENDIDO o APAGADO del brazo heraldo. Cuando los fotones inactivos del brazo anunciador se proyectan a | H〉, indica el estado del interruptor APAGADO y conduce a un gato sólido capturado. Mientras que los fotones anunciados se proyectan a | V〉, se obtiene un gato perfilado con borde mejorado con el estado de encendido. (C y D) Los resultados calculados y experimentales de un gato sólido, respectivamente. (E y F) Los resultados calculados y experimentales del gato delineado con borde mejorado, respectivamente. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.abc4385

    Las metauperficies proporcionan plataformas únicas para realizar fenómenos exóticos, incluida la refracción negativa, enfoque acromático, y encubrimiento electromagnético debido a las arquitecturas metálicas o dieléctricas diseñadas. La intersección de las metasuperficies y la óptica cuántica puede conducir a importantes oportunidades que quedan por explorar. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Junxiao Zhou, Shikai Liu y un equipo de investigación en información cuántica, Los dispositivos nano-optoelectrónicos y la ingeniería informática en China y los EE. UU. propusieron y demostraron una fuente de fotones entrelazados por polarización. Utilizaron la fuente para cambiar el modo de borde óptico en un sistema de imágenes a estados ON u OFF basados ​​en una metasuperficie altamente dieléctrica. El experimento enriqueció los campos de la óptica cuántica y los metamateriales como una dirección prometedora hacia la detección de bordes cuánticos y el procesamiento de imágenes con una relación señal-ruido notable.

    Combinando entrelazamiento cuántico y detección de bordes

    Las metasuperficies fotónicas son matrices ultrafinas bidimensionales (2-D) de estructuras metálicas o dieléctricas diseñadas que pueden facilitar la manipulación del campo electromagnético de la fase local. amplitud y polarización. Los investigadores generalmente desarrollan tales capacidades para una variedad de aplicaciones en óptica clásica. El entrelazamiento cuántico es esencial en la óptica cuántica para muchas aplicaciones, incluida la criptografía cuántica, teletransportación metrología de superresolución e imágenes cuánticas. Los esfuerzos recientes muestran una tendencia a combinar la metasuperficie con fotones entrelazados para aplicaciones potenciales en óptica cuántica. La detección de bordes es otro factor que contribuye al procesamiento de imágenes para definir los límites entre regiones en una imagen. Es una herramienta básica en visión por computadora para preprocesar automatizaciones en imágenes médicas y forma un componente crítico de los vehículos autónomos. La detección de bordes habilitada por metauperficies se puede utilizar en óptica cuántica para ofrecer posibilidades de procesamiento de imágenes y criptografía controlados a distancia. En este trabajo, Zhou y col. por lo tanto, realizó una fuente de fotones entrelazados por polarización y un método de detección de borde óptico conmutable habilitado por metasuperficie de alta eficiencia. La estrategia combinada mostró una alta relación señal-ruido (SNR) al mismo nivel de flujo de fotones (el número de fotones por segundo por unidad de área).

    Configuración experimental y caracterización de muestras. (A) La configuración experimental de metasuperficie habilitó la detección de bordes cuánticos. BDM, espejo dieléctrico de banda ancha; PBS, divisor de haz de polarización; DM, espejo dicromático; FC, acoplador de fibra; BPF, filtro de paso de banda; ICCD, Dispositivo acoplado de carga intensificada. Al bombear un cristal no lineal (cristal PPKTP a granel de fase coincidente de tipo II) con un láser de 405 nm, pares de fotones polarizados ortogonalmente con una longitud de onda de 810 nm se generan a través del proceso de conversión descendente espontáneamente paramétrico. La trayectoria de la luz azul (roja) presenta la luz de 405 nm (810 nm). El interruptor de detección de bordes está en el brazo de aviso. Hay un sistema de imágenes de detección de bordes en el brazo de imágenes. (B) Fotografía de la muestra de metasuperficie parcial. Barra de escala, 4 mm. (C) Análisis polariscópico caracterizado por polarizadores lineales cruzados del área de muestra marcada en 2a. Las barras azules indican la orientación de nanoestructuras rotadas en un período, que representa la fase Pancharatnam-Berry inducida por la metasuperficie dieléctrica de escritura láser. Barra de escala, 50 micras. (D) La imagen de microscopía electrónica de barrido del área de la muestra marcada en (C). Barra de escala, 1 μm. Crédito de la foto:Junxiao Zhou, Universidad de California, San Diego. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.abc4385

    Usando el concepto del "gato de Schrödinger"

    Zhou y col. utilizó el concepto del gato de Schrödinger para ilustrar el rendimiento esperado del esquema de detección de bordes cuánticos conmutables. Revisaron el principio básico de detección de bordes basado en la iluminación de luz de onda continua clásica (CW). En la configuración experimental, el brazo de imágenes de detección de bordes era independiente de la fuente enredada y el brazo heraldo, así como los componentes de medición de coincidencia. Cuando los fotones incidentes alcanzaron un estado de polarización horizontal, el haz de luz iluminada pasó a través de una abertura en forma de gato y una metasuperficie diseñada para separarse en una imagen polarizada superpuesta a la izquierda y a la derecha con un desplazamiento horizontal. Los componentes superpuestos luego pasaron a través de un analizador orientado horizontalmente para formar una imagen de 'gato sólido'. Si, sin embargo, los fotones incidentes estaban polarizados verticalmente, los componentes superpuestos se recombinan en un componente polarizado lineal que está completamente bloqueado por el analizador para formar solo el contorno de un gato. Por lo tanto, los investigadores utilizaron fotones entrelazados por polarización como fuente de iluminación para desarrollar la detección cuántica de bordes conmutables de esta manera.

    La configuración experimental y los pares de fotones entrelazados por polarización

    Caracterizaciones de la fuente enredada. (A) La coincidencia cuenta como una función del ángulo HWP θ2 en un puerto de salida en 2 s. El color rojo (azul) de los datos de recuento y la interferencia corresponde a las bases de proyección horizontales (diagonales). Las líneas continuas son ajustes sinusoidales a los datos, Las barras de error se estiman asumiendo estadísticas de fotones de Poisson en el recuento de fotones. Las barras de error se obtienen a partir de múltiples mediciones. (B y C) Las partes real e imaginaria de la matriz de densidad reconstruida ρ de los estados de dos fotones, respectivamente. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.abc4385

    Los investigadores generaron fotones entrelazados por polarización utilizando un proceso de conversión descendente paramétrico espontáneo en un titanil fosfato de potasio polarizado periódicamente de tipo II de 20 mm de longitud (KTiOPO 4 / PPKTP) cristal incrustado en un interferómetro Sagnac. Fijaron la temperatura del cristal en 17 grados Celsius y utilizaron dos espejos dieléctricos de banda ancha y un divisor de haz de polarización de longitud de onda dual para formar el interferómetro de Sagnac autoestable. Luego utilizaron un láser de diodo de onda continua de frecuencia única a 405 nm para generar el haz de bombeo enfocado por un par de lentes con longitudes focales optimizadas para lograr una cintura de haz de aproximadamente 40 micrones en el centro del cristal. Para equilibrar la potencia en sentido horario y antihorario, Zhou y col. utilizó una placa de cuarto de onda (QWP) y una placa de media onda (HWP) frente al bucle de Sagnac.

    Usando un divisor de haz de polarización de longitud de onda dual, separaron los pares de fotones convertidos hacia abajo bombeados por dos haces de contrapropagación, para enviar uno al brazo de imágenes y el otro a los brazos heraldos, respectivamente. Zhou y col. también diseñó la metasuperficie empleada en la configuración utilizando la fase Pancharatnam-Berry y la fabricó escaneando un láser de pulso de femtosegundos dentro de una losa de sílice. Luego, usando microscopía electrónica de barrido, observaron nanoestructuras autoensambladas en la losa de sílice y mostraron su origen bajo una intensa irradiación láser para generar la metasuperficie. El equipo describió brevemente la preparación del estado cuántico para los pares de fotones degenerados entrelazados por polarización generados a partir del bucle Signac. Usaron el estado de Bell (el ejemplo más simple de entrelazamiento cuántico no separable) para este trabajo ajustando la configuración experimental. Zhou y col. cuantificó la calidad de entrelazamiento del estado de dos fotones utilizando tomografía cuántica y reconstruyó las mediciones de la matriz de densidad de dos fotones.

    • La demostración de detección de bordes conmutable. (A a D) La orientación de la muestra de la metasuperficie, que está alineado con el plano xy. Las flechas amarillas insertadas indican la dirección del gradiente de fase de la metasuperficie. (E a H) Las imágenes de todo el objeto que comprenden los componentes LCP y RCP separados, que es el estado APAGADO del modo de detección de bordes. (I a L) Las imágenes revelan bordes en diferentes direcciones, que es el estado ON del modo de detección de bordes. Crédito de la foto:Junxiao Zhou, Universidad de California, San Diego. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.abc4385

    • La detección de bordes cuánticos habilitada por entrelazamiento tiene una alta SNR. (A y C) Las imágenes de detección de bordes son activadas por el detector de heraldos. (B y D) Imágenes directas donde el ICCD se activa internamente. (C) y (D) se toman a lo largo de las líneas punteadas blancas en (A) y (B), respectivamente. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.abc4385

    Detección cuántica de bordes habilitada por entrelazamiento cuántico

    Después de confirmar la calidad de los pares de fotones entrelazados por polarización generados, demostraron detección de bordes cuánticos conmutables. Para lograr esto, prepararon los fotones en estados de polarización lineal horizontal o vertical utilizando la configuración y acoplaron los fotones en la fibra y los enviaron al sistema de imágenes de detección de bordes para capturar la imagen alternativa final a través de una cámara de dispositivo de carga acoplada intensificada (ICCD). Por ejemplo, Zhou y col. obtuvo dos imágenes superpuestas con un pequeño cambio, donde la dirección de cambio se alinea con la dirección del gradiente de fase de la metasuperficie. Cuando aumentaron el período de la estructura de la metasuperficie, disminuyeron el desplazamiento entre las dos imágenes superpuestas para lograr una detección de bordes de alta resolución. El esquema de detección de bordes cuánticos tenía otra ventaja debido a su alta relación señal / ruido (SNR), donde el equipo podría reducir significativamente el ruido ambiental en la configuración, donde el ruido solo se acumuló en un período de tiempo muy corto. Por el contrario, en óptica clásica, el ruido seguiría acumulándose. Como prueba de concepto, adquirieron una imagen de borde con una SNR notable para mejorar la detección de bordes cuánticos experimental habilitada por entrelazamiento.

    panorama

    De este modo, Junxiao Zhou, Shikai Liu y sus colegas combinaron la detección de bordes cuánticos habilitada por entrelazamiento cuántico utilizando un filtro de metasuperficie combinado con una fuente entrelazada por polarización. Las metasuperficies proporcionaron elementos ópticos ultradelgados y livianos con perfiles de fase diseñados con precisión para obtener una variedad de funciones para formar un sistema más compacto e integrado. La configuración ayudará a la concepción de aplicaciones de seguridad, incluido el cifrado de imágenes y la esteganografía. El método también ofrece una atractiva relación señal-ruido (SNR) adecuada para una variedad de aplicaciones de detección e imágenes hambrientas de fotones en biomedicina. incluido el seguimiento de reacciones enzimáticas y la observación de organismos vivos o células fotosensibles.

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