该量子逻辑门研制成功向着实现光量子计算目标又前进了一步,针对特殊光束的散射单元设计

近年来,等离子体激元的研究将微纳光子设计带到了前所未有的高度。表面等离子体场的矢量特征使得金属纳米结构可以在非常薄的尺度下进行光场的偏振控制成为可能。许多微小型偏振器件已经通过金属纳米结构研制成功。然而,这些器件大多数功能都相对简单,通常只能完成单一的或非常有限的偏振调控。这大大制约了这类光子器件的信息容量和处理能力。

表面等离激元是一种存在金属与介质界面的电磁模式,具有亚波长传播和局域场增强的特性,因而受到人们的青睐,是微纳尺度下进行光子操纵和集成的优良载体。随着人们对表面等离激元认识的不断深入和对微纳光子器件应用需求的增加,如何在近场范围内精确调控等离激元波的传播并实现特定的场强分布成为人们关注的热点。

南京大学固体微结构物理国家重点实验室李涛教授、祝世宁院士研究组最近报告研制出迄今为止尺寸最小(14
× 14
μm2)光量子控制-非门。该量子逻辑门也是国际上首个基于等离激元体系的具有光量子信息处理功能的量子器件,能进行二比特量子操作,可作为量子集成芯片上的基本运算单元。二比特的控制-非门和单比特的哈达玛门是通用量子计算芯片的二种基本逻辑单元。这种基于表面等离激元构建的光量子逻辑门体积小,因而可大幅度提高光量子芯片集成度,减少芯片的尺寸。该量子逻辑门研制成功向着实现光量子计算目标又前进了一步。该成果近期发表在自然子刊Nature
Communications 7:11490 DOI:
10.1038/ncomms11490上,物理学院王漱明副研究员是论文的第一作者。

南京大学现代工程与应用科学学院李涛教授和祝世宁院士指导博士生李林,通过精妙的等离激元结构设计,实现了一种高度通用的偏振产生器,它可以将单一偏振输入的光束同时转换成多种偏振态以特定的多光束输出。其基本原理是利用了两束互相正交传播的表面等离激元波的纵向分量的干涉效应来实现的。面内正交传播SPP纵向场在平面内由于其相位关系,可以在不同位置合成出不同类型面内矢量偏振态。此时,通过合适的位置的衍射单元,就能够获得满足特定偏振态的散射波前,从而实现特定偏振光的波束。李林等通过一系列实验,成功地验证了该原理的可行性。作为举例演示,他们精心设计了一种结构样品,成功实现了具有八种偏振态的多聚焦光束。其中每个焦点的偏振态都经过验证。该设计提供了一种全新的方法来达到光子偏振态的完全控制,这为光子信息处理技术开拓了新的途径。

南京大学现代工程与应用科学学院李涛教授、祝世宁院士研究组在过去几年中发展并推广了一套新颖的面内衍射调控SPP波的方法,实现了诸如Airy波束、准直波束、宽带聚焦与波分复用等效应和功能。后来他们进一步将全息思想引入进来,实现了在金属表面蜿蜒行走的SPP波束。相关研究大大加深了人们对SPP波束特性的理解,并提供了强大的微纳光场调控的手段。今年五月份,李涛教授受邀在《激光与光电子学进展》发表综述文章《表面等离激元的传播操控:从波束调制到近场全息》,系统介绍了该领域的研究进展(该综述论文被评为该刊物第五期优秀论文,见图一)。该文章后半部分还强调,等离激元近场全息将可能是今后发展的重要方向。

基于量子力学的信息处理技术使用量子位叠加原理突破了经典信息处理仅用0和1编码方式,在根本原理上较之于经典计算有着无与伦比的优势。光子作为一个很好的量子信息处理的载体具有很好的相干性和单比特操作特性。近年来,光量子信息处理系统已经广泛应用于量子通讯、量子测量和量子计算等领域。然而,为了应对大规模信息处理和计算的要求,如何将光子处理系统的尺寸进一步的压缩已经成为近期研究者们关注的重点。当前,有一些基于路径编码的量子逻辑门和量子算法已经可以在集成光路中实现了,不过路径编码方式决定了其集成度不可能很高。而另一种编码方式——偏振编码,从原理上可以将光路简化,但却很难在集成光路中实现。这是因为光子芯片中的偏振分束和偏振旋转,需要通过更加精确地设计波导耦合长度来实现,这种精准度对现有的集成光路设计和制成提出极大挑战。

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目前研制成功的等离激元光量子控制-非门巧妙地利用介质加载金属表面等离激元波导成功实现了TE和TM两种偏振模式的操控,仅仅使用一个偏振依赖分束器就实现了偏振编码的二个量子比特的控制-非门。它的尺寸只有14
× 14
μm2(比之前他人的结果减小了4个量级),是目前世界上最小的光量子逻辑门。实验给出的该控制非门的逻辑功能真值表显示了该逻辑门具有高的保真度(63.7%
≤ Fprocess≤ 80.3%)和很好的纠缠产生能力。

图一、偏振重构产生过程的示意图。插图是SPP纵场的偏振状态与入射的RCP光场分布。针对特殊光束的散射单元设计:平面波散射和聚焦光束散射。

图一:表面等离激元传播调控的综述论文。

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图一、传统偏振编码的控制非门的设计;使用介质加载表面等离激元波导的工作原理;偏振依赖分束器的SEM图;从右耦入端入射的TM模式的传播效果;从左耦入端入射的TM模式的传播效果;从左耦入端入射的TE模式的传播效果。蓝色箭头表明耦入光位置和偏振方向。

图二、八偏振产生器的样品SEM照片。所获得八种偏振状态的聚焦点。该八种偏振态对于庞加莱球上的位置。八种偏振态分析的实验结果与理论预测效果的对比。针对其中u和v线对应偏振态的实验测试结果。

图二:按照四个方向传播的SPP作为参考光进行空间成像的复用全息设计和样品照片。实验测得由不同方向传播SPP所重构出的空间全息图。

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本工作近期发表于Nature子刊Light: Science & Applications 4, e330
。该刊物目前影响因子为14.6,居86种光学类刊物的第二位(仅次于Nature
Photonics)。刊物编辑就此成果还做了题为“Plasmonics: highly versatile
polarizer”的summary新闻报道。该项研究得到科技部重大研究计划,国家自然科学优青项目、面上项目,南京大学登峰人才计划,南京大学博士生提升计划,以及江苏省优势学科的支持。

近期,李涛教授、祝世宁院士研究组在SPP波空间辐射全息成像方面又获得新进展,成功通过传播的SPP波与空间的全息目标光场干涉,获得可实现多个成像目标复用的SPP全息图,并可通过不同传播方向的SPP将其读出重构出来。该方法突破了传统偏振复用全息仅有两个正交态的限制,获得了四重无串扰的全息图样。他们进一步利用SPP散射单元的取向控制实现将空间衍射全息的偏振调控,并与SPP方向复用相结合,演示了CEAS四个字母的四重复用全息成像。该样品尺度在几十微米量级,全息成像在样品表面40微米处,获得全息图案可通过入射出射的偏振片进行动态选择调控。

图二、基于介质加载金属表面等离激元的控制非门在ZZ基上测试得到的各基矢的几率;在XX基上测试得到的各基矢的几率。

(现代工程与应用科学学院 李涛 科学技术处)

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物理学院王漱明副研究员完成了样品的设计和测试,现代工学院博士生程庆庆完成了样品的加工,东南大学龚彦晓博士和美国西北大学孙诚教授也是本工作的合作者,李涛教授和祝世宁院士指导了此项工作,物理学院张若筠教授和马小松教授也提出了宝贵的意见。该项研究主要在南京大学微结构科学与技术协同创新中心完成,得到科技部重大研究计划,国家自然科学基金(创新群体项目,重大集成项目,优秀青年基金项目和面上项目)以及南京大学登峰人才计划的支持。孙诚教授受到国家外专局高端国外专家项目的支持。

图三:SPP传播与空间偏振联合复用的全息样品图,空间全息示意图及最终实验获得的四重解复用全息成像。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)

这是一种新颖的以近场表面波为参考光的全息技术,同时引入了SPP传播方向作为全息的复用维度。实验结果显示,这种复用方法最小的串扰角度大约在20度,这样平面内可以有近360/20=18个不同传播方向的SPP可作为复用通道,这大大增加信息加载的容量。同时,以表面波为照明光,大大节约了传统全息的照明空间,有利于在集成光学成像和显示方面应用。本工作虽然以全息成像作为演示结果,其更重要的意义在于将SPP面内传播与空间多维光场调控结合起来,实现了倏逝波的信息与空间光场信息进行有效转换,这一全新的光场调控思路将为微纳尺度下的光子技术开拓了新的方案和研究平台。

该工作近日发表在Nano Letters (DOI:
10.1021/acs.nanolett.7b02295),文章第一作者是现代工程与应用科学学院直博研究生陈绩,通讯作者是李涛教授和王漱明研究员。该工作受到科技部重点研发计划(量子调控和纳米专项),国家自然科学基金创新群体项目、优秀青年基金、面上基金项目的支持,同时也感谢南京大学登峰人才计划的支持。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)

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