Nature Photonics：双等离子体量子干涉
量子理论中光子与表面等离子体之间的密切相似关系，已经吸引很多科学家进行实验测试。迄今为止的实验已经证实，表面等离子体确实表现出许多熟悉的量子现象，证明了在用非经典光激发表面等离子体波时，会保持单光子统计和纠缠特性。 其他研究报告说，可以制备等离子体场的叠加和压缩状态。
双光子量子干涉（TPQI）代表了研究表面等离子体的量子力学的另一个机会。在利用自由空间光学器件或介质波导的典型实验中，不可区分的光子对进入50-50分裂元件的输入端，这些分离元件混合它们的路径。在能量守恒的情况下，分光器将π相移赋予两个光子，这相对于两个光子都被透射的状态反射的状态。如果这两个状态是相同的，也就是说在我们的实验中，并且在大多数其他状态下光子是难以区分的，则这个π相位差使它们完全取消，留下两个光子在一个或两个中发现的状态的叠加或两个输出中的另一个，但从不在每个输出中分开。因此，放置在两个输出端的检测器永远不会同时点击计数。典型的测量包括将一个光子到达分光器的可变量延迟并测量输出处的重合计数：当相对延迟大于光子的相互相干时间时，探测器记录同时计数的基线速率 Cbase，但是当设置延迟以使光子同时到达时，由于TPQI，该速率降至最小Cmin。 对于经典光学，干涉的可见度（定义为1-Cmin/ Cbase）必须小于0.5，但在量子实验中通常接近于1。
今天我们就介绍一篇加州理工学院卡夫利纳米科学研究所发表在Nature Photonics上的工作。该工作主要介绍为了在等离子体系统中观察高能见度TPQI不仅需要等离子体成分保持输入光的非经典统计，而且还要求得到的双光子状态保持它们的相干性。在原作者的实验中，这个标准对应于两个光子在转换为等离子体和干涉时仍然无法区分。最近使用等离子体薄膜结构和弱限制的远程表面等离子体的实验表明，等离子体模式的转换不一定使光子与最初难以区分的粒子对区分开来。尽管如此，TPQI的可见度确实发生了很小的降低，这归因于单光子波包的失真和不平衡色散。此外，最近的一项实验报告了TPQI在强烈限制的等离子体波导中的应用，但与电介质50-50耦合器的情况相比，可见度降低。原作者的测量结果提供了等离子体量子干涉的确切证据。这是一篇理论模拟和实验相结合的工作，利用数值软件对等离激元波导进行了详细设计和分析。
图1 TPQI测量的示意图
对于SPDC对准的407nm二极管激光器和硼酸铋（BiBO）晶体在814nm处产生成对的单光子。 光子通过带通滤波器（BPF）并进入保偏（PM）光纤，其中一个延迟可调节量。 第二对准直器将光子耦合回自由空间，并且×40显微镜物镜将它们聚焦到光子芯片上的单独波导中。在芯片的输出端，多模（MM）光纤收集光子并将它们发送到SPAD检测器。
图1使用了半导体二极管激光器和非线性晶体通过自发参量下转换（SPDC）创建退化的单光子对，将其收集到光纤中。 在一个光子穿过光纤耦合可调延迟线之后，两者都被耦合回自由空间光束并通过显微镜物镜聚焦到硅芯片上制造的介电波导的末端。在芯片的输出侧，透镜多模光纤从波导中收集光并将其发送到我们的单光子雪崩光电二极管（SPAD）。 为了提高耦合进出波导的效率，在其末端对聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）光点尺寸转换器进行了图案化。 通过这种设计，通常观察到30-35％的传输通过没有等离子体组件的波导。
图2 波导的设计
a，氮化硅波导将成对的光子传送到由DLSPPW制成的定向耦合器。 此处所示的标称耦合长度与图4中系统变化的标称耦合长度相同.b，介质波导中的S形弯曲使输出相对于输入移动500μm，确保没有杂散光到达输出。 c，电介质和等离子体波导被设计用于其模式的最佳重叠。颜色图显示|E| 2，比例尺为300nm。 d，对于短于770 nm的波长，DLSPPW中会出现第二种模式。然而，在814nm处，DLSPPW仅支持单模。 红线表示平板表面等离子体激元模式的有效折射率指数，其不受PMMA的引导。
将介电负载表面等离子体激元波导（DLSPPW）直接集成到的介质波导中，如图2a所示。使用电子束光刻，等离子体蚀刻和金属沉积技术（参见方法）组合制造这些芯片，使用氮化硅作为介电波导，使用金PMMA作为DLSPPW。每个介质波导中的500μmS弯曲（图2b）确保任何未完全耦合到其输入端的介质波导中的杂散光都不会到达输出端的透镜光纤。电介质和等离子体波导各自支持单个垂直极化模式，用有限差分频域模式求解器计算（图2c）。还计算了DLSPPW的色散图（图2d），以确认我们的工作波长814 nm，它是远离二阶模式的截止波长。从通过不同长度的DLSPPW的传输测量，估计了等离子体模式的1 / e衰减长度为~6.8μm，并且介电和等离子体波导之间的耦合效率为每个跃迁~0.66。
此处波导的设计是整个实验的核心，文章原作者经过计算进行巧妙的分析构造，大大提高了科研效率。同时，这也为文章的理论奠定了坚实基础，使得文章实验和理论结合的很完美。
图3 在50-50定向耦合器中测量TPQI
a，b，在介质耦合器（a）中，我们观察到TPQI的可见度为0.944±0.003，时间宽度为0.12±0.01ps，而在等离子体情况下（b），观察到的可见度为0.932±0.01和宽度 0.11±0.01 ps。每个点代表一组五次测量的平均值，每次测量为~3,000次（介电耦合器）或每次测量~1,600次的三次测量（等离子体耦合器）。 红线表示适合于反向高斯函数（补充第2节），从中提取每个干涉倾角的可见度和宽度。各个点上的误差条显示±1 s.d. 所测量的测量结果，而可见度的估计误差，也是±1 s.d.，是通过将模型函数拟合到数据得出的。 下降宽度的估计误差表示可调延迟线的精度。
图4 TPQI在不同长度的等离子体耦合器中
正如预期的那样，TPQI的可见度随着定向耦合器的分裂比偏离50-50而降低。 插图：显示光从波导输出发散的图像，确认耦合器随着耦合长度的增加变得更不对称。
为了提供进一步证据表明该测量确实是由等离子体耦合器上的TPQI产生的，在具有不同耦合长度的等离子体耦合器中进行了类似的测量（图2a），因此具有不同的分裂比。 结果如图4所示。正如预期的那样，对于偏离50-50的分裂比，TPQI的可见性单调减少。 此外，使用800 nm对准激光照射每个耦合器的一个输入，并使用带有放大光学系统的数码相机来形成从波导输出中散开的光的图像。 如图4中的插图图像所示，耦合器的两个输出之间的强度分布随耦合长度系统地变化，从而确认定向耦合器确实如预期的那样起作用。
原作者得出结论，实验证明了等离子体波导中明确的量子干涉。此外，在介电和等离子体波导中测量TPQI之间的密切对应表明，相同的光子在紧密限制的高损耗等离子体结构中仍然难以区分，其中电磁场与金属强烈相互作用。如果可以减小损耗，这种高度的一致性证实了等离子体成分确实可以在量子计算中应用。最后，实验为进一步研究等离子体电路中的量子干涉和纠缠奠定了基础。
笔者认为这篇文章是研究等离子体量子光学现象的先驱，但整个设计的核心也是需要用到我们强大的数值软件进行波导的设计，因此数值仿真模拟无论是在经典物理还是量子物理中，都将发挥它越来越强大的仿真功能。
参考文献:
https://www.nature.com/articles/nphoton.2014.40
