Phys. Rev. Lett. | 时空调控的量子超表面设计

美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员设计了一种新型的基于量子的超表面，其可以实现在空间和时间上连续调节光与物质的相互作用。研究表明，这种超表面允许单个光子按需纠缠，或者可以将量子真空中的光子从虚拟粒子转换为真实粒子（Phys. Rev. Lett., doi: 10.1103/PhysRevLett.127.043603）。基于芯片的紧凑设备快速操纵光子的量子特性可以增强或开发大量技术应用，例如高速量子通信，或新型机械推进器。

两个泵浦激光器之间的干涉调节超表面的折射率，从而实现单个探测光子的自旋、路径和频率发生纠缠。

超表面是由极薄、密集的微型天线阵列组成的，可以调节入射光波的幅度、相位或偏振。超表面最初于 2011 年被发明，并为替代庞大的光学组件提供了解决方案。但是，大部分超表面制备之后对光的调控特性是固定的，静态的。因此，在过去几年中，研究人员专注于构建具有随时间和空间变化的结构的动态超表面，即允许波长转换、光束转向等功能的可调超表面。本项研究展示了如何将操控经典光束的超表面应用于量子领域。这些设备是由量子元素组成包括量子化材料、发射器和光源，并也结合了与经典元件。

通过结合动态超表面和量子，研究人员发展了“时空量子超表面”的概念。他们制备了能够实现对非经典光的光谱、空间和自旋特性进行任意控制的设备，并给出了相关的详细计算。

产生“超纠缠”

第一种情况涉及量子光与经典材料相互作用：一组高折射率介电天线或“元原子”，具有十字架形状和弯曲的布局。该方案利用了两年前由美国宾夕法尼亚州立大学的一个工作对折射率时空变化的证明。其中涉及两个略微失谐的泵浦激光器和一个探针激光器。前者之间的干扰会产生一个折射率调制行波，用于调整后者的量子参数。

研究人员认为，当由超表面设计固定的行波几何相位与超原子的位置成比例变化时，会在探测光子的自旋与其路径之间产生相关性。因此，光子会演变成一种在自旋、路径和频率上超纠缠的状态。这种基于激光的调制可能用于为高带宽量子通信创建可重构的超纠缠。另一种可能的用途是在有源量子传感器中，它利用受控光子束来扫描给定的检测区域。

从量子真空中收集光子

研究人员设计的第二个超表面涉及到量子材料：石墨烯盘阵列，其极化率受到太赫兹频率调制。这种调制将超表面与量子真空耦合，创建一个类似于动态Casimir效应的过程，即单个“虚拟光子”在它们有时间结合之前就分离成2条光子流。通过调整合成阶段，该过程可以发射光子，从而在特定方向产生净动量。这可以作为一种新型的机械推进器，例如推进纳米级物体。另外，调制过程还可以增加轨道角动量，这会导致纠缠的“涡旋”光子对。

下一步：构建曲面

目前，研究人员正致力于制备这些超表面。这些超表面在实际应用中需要克服的难点包括需要最小的光子吸收、高速响应和低噪声调制，以及如何解决大量单元带来集成和功耗问题。