量子全息技術：開啟光學安全新紀元

量子糾纏，這個物理學中最神秘且強大的現象，最近透過超穎表面的應用，被推向了全新的境界。研究人員發現了一種建立量子全息圖的方法，利用糾纏的光子以前所未有的精確度編碼複雜資訊。透過超穎表面的特性，他們展示了對糾纏全息字母的控制，為量子通訊和防偽技術開闢了新道路。

量子糾纏是自然界中一個令人著迷的現象，也是量子力學的核心概念。它描述了兩個粒子之間的特殊關聯，無論它們相距多遠，測量其中一個粒子的狀態會立即決定另一個粒子的狀態。這種獨特性質在量子計算和安全通訊等領域具有實際應用。

生成糾纏粒子的常見方法是使用非線性晶體。當鐳射透過晶體時，會產生一對具有連結極化狀態的光子，這個過程稱為自發參量下轉換（SPDC）。如果一個光子被發現是水平極化的，另一個光子將始終是垂直極化的，反之亦然。

同時，超穎表面這種超薄光學器件能夠以極高的精確度操控光線，使其成為編碼大量資訊（如高解析度全息圖）的有用工具。透過將超穎表面與非線性晶體結合，科學家正在探索增強糾纏光子生成和控制的新方法。

最近發表在《Advanced Photonics》上的一項研究介紹了一種利用超穎表面建立量子全息圖的創新方法。來自香港和英國的研究人員精心設計了超穎表面內奈米結構的取向，以建立極化狀態和全息資訊糾纏的全息圖。這一突破為量子光學和資訊技術的新進展鋪平了道路。

「我們已經證明，超穎表面是生成量子全息圖的多功能平臺。透過將一個光子投影到與在其他地方觀察到的干涉效應相對應的各種極化狀態，進一步揭示了這些量子全息圖的糾纏特性，」埃克塞特大學計算工程和超材料教授、該報告的資深作者Jensen Li解釋道。

這種方法提供了一種緊湊且靈活的方式，這在傳統材料中難以實現。為了展示，研究人員成功建立了四個與配對光子極化狀態糾纏的全息字母——H、V、D和A。透過為一個光子選擇不同的極化器取向，可以選擇性地擦除全息圖中的特定字母，展示了對糾纏全息資訊的精確控制。

除了其基礎意義外，這項研究還為實際應用帶來了希望，例如透過在字母和極化狀態中編碼資訊來實現量子通訊。「隨著更複雜的糾纏模式，我們可能能夠增加量子金鑰分發的資訊容量，這是一種安全的通訊方式，」該研究的合著者Hong Liang說。「我們相信，超穎表面可以顯著縮小量子光學系統的尺寸，使這項技術更適合日常使用。」

此外，研究人員建議，超穎表面可以用於防偽技術。除了複製超穎表面本身的固有困難外，字母和極化狀態之間以及不同全息圖之間的相對相位輪廓之間的複雜關係，創造了一種極難複製的獨特模式，從而增強了防偽的安全性。

「我們的演示也可以解釋為全息層面的量子擦除器。與傳統的雙縫量子擦除器相比，我們的設定用兩個全息圖取代了兩個縫，並從糾纏光子的極化中獲得了哪個全息圖的資訊。擦除這些資訊現在有了具體的效果，正如擦除全息字母所展示的那樣，」該論文的另一位合著者Wai Chun Wong補充道。

這項研究強調了現代奈米製造技術如何利用量子效應進行實際應用。儘管超穎表面非常薄，但它們能夠實現傳統上需要複雜光學設定的複雜量子操作。這一成就不僅加深了我們對量子力學的集體理解，還為量子資訊處理提供了進一步的通用見解。

欲瞭解更多資訊，請觀看Li教授及其團隊的影片：

參考文獻：Hong Liang, Wai Chun Wong, Tailin An和Jensen Li於2025年3月11日發表的《Advanced Photonics》中的「Metasurface-enabled quantum holograms with hybrid entanglement」。DOI: 10.1117/1.AP.7.2.026006