NaturePhotonics：雙等離子體量子干涉

　　量子理論中光子與表面等離子體之間的密切相似關系，已經吸引很多科學家進行實驗測試。迄今為止的實驗已經證實，表面等離子體確實表現出許多熟悉的量子現象，證明了在用非經典光激發表面等離子體波時，會保持單光子統計和糾纏特性。 其他研究報告說，可以制備等離子體場的疊加和壓縮狀態。

　　雙光子量子干涉（TPQI）代表了研究表面等離子體的量子力學的另一個機會。在利用自由空間光學器件或介質波導的典型實驗中，不可區分的光子對進入50-50分裂元件的輸入端，這些分離元件混合它們的路徑。在能量守恒的情況下，分光器將π相移賦予兩個光子，這相對于兩個光子都被透射的狀態反射的狀態。如果這兩個狀態是相同的，也就是說在我們的實驗中，并且在大多數其他狀態下光子是難以區分的，則這個π相位差使它們完全取消，留下兩個光子在一個或兩個中發現的狀態的疊加或兩個輸出中的另一個，但從不在每個輸出中分開。因此，放置在兩個輸出端的檢測器永遠不會同時點擊計數。典型的測量包括將一個光子到達分光器的可變量延遲并測量輸出處的重合計數：當相對延遲大于光子的相互相干時間時，探測器記錄同時計數的基線速率 Cbase，但是當設置延遲以使光子同時到達時，由于TPQI，該速率降至最小Cmin。 對于經典光學，干涉的可見度（定義為1-Cmin/ Cbase）必須小于0.5，但在量子實驗中通常接近于1。

　　今天我們就介紹一篇加州理工學院卡夫利納米科學研究所發表在Nature Photonics上的工作。該工作主要介紹為了在等離子體系統中觀察高能見度TPQI不僅需要等離子體成分保持輸入光的非經典統計，而且還要求得到的雙光子狀態保持它們的相干性。在原作者的實驗中，這個標準對應于兩個光子在轉換為等離子體和干涉時仍然無法區分。最近使用等離子體薄膜結構和弱限制的遠程表面等離子體的實驗表明，等離子體模式的轉換不一定使光子與最初難以區分的粒子對區分開來。盡管如此，TPQI的可見度確實發生了很小的降低，這歸因于單光子波包的失真和不平衡色散。此外，最近的一項實驗報告了TPQI在強烈限制的等離子體波導中的應用，但與電介質50-50耦合器的情況相比，可見度降低。原作者的測量結果提供了等離子體量子干涉的確切證據。這是一篇理論模擬和實驗相結合的工作，利用數值軟件對等離激元波導進行了詳細設計和分析。

圖1 TPQI測量的示意圖

　　對于SPDC對準的407nm二極管激光器和硼酸鉍（BiBO）晶體在814nm處產生成對的單光子。 光子通過帶通濾波器（BPF）并進入保偏（PM）光纖，其中一個延遲可調節量。 第二對準直器將光子耦合回自由空間，并且×40顯微鏡物鏡將它們聚焦到光子芯片上的單獨波導中。在芯片的輸出端，多模（MM）光纖收集光子并將它們發送到SPAD檢測器。

　　圖1使用了半導體二極管激光器和非線性晶體通過自發參量下轉換（SPDC）創建退化的單光子對，將其收集到光纖中。 在一個光子穿過光纖耦合可調延遲線之后，兩者都被耦合回自由空間光束并通過顯微鏡物鏡聚焦到硅芯片上制造的介電波導的末端。在芯片的輸出側，透鏡多模光纖從波導中收集光并將其發送到我們的單光子雪崩光電二極管（SPAD）。 為了提高耦合進出波導的效率，在其末端對聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）光點尺寸轉換器進行了圖案化。 通過這種設計，通常觀察到30-35％的傳輸通過沒有等離子體組件的波導。

圖2 波導的設計

　　a，氮化硅波導將成對的光子傳送到由DLSPPW制成的定向耦合器。 此處所示的標稱耦合長度與圖4中系統變化的標稱耦合長度相同.b，介質波導中的S形彎曲使輸出相對于輸入移動500μm，確保沒有雜散光到達輸出。 c，電介質和等離子體波導被設計用于其模式的最佳重疊。顏色圖顯示|E| 2，比例尺為300nm。 d，對于短于770 nm的波長，DLSPPW中會出現第二種模式。然而，在814nm處，DLSPPW僅支持單模。 紅線表示平板表面等離子體激元模式的有效折射率指數，其不受PMMA的引導。

　　將介電負載表面等離子體激元波導（DLSPPW）直接集成到的介質波導中，如圖2a所示。使用電子束光刻，等離子體蝕刻和金屬沉積技術（參見方法）組合制造這些芯片，使用氮化硅作為介電波導，使用金PMMA作為DLSPPW。每個介質波導中的500μmS彎曲（圖2b）確保任何未完全耦合到其輸入端的介質波導中的雜散光都不會到達輸出端的透鏡光纖。電介質和等離子體波導各自支持單個垂直極化模式，用有限差分頻域模式求解器計算（圖2c）。還計算了DLSPPW的色散圖（圖2d），以確認我們的工作波長814 nm，它是遠離二階模式的截止波長。從通過不同長度的DLSPPW的傳輸測量，估計了等離子體模式的1 / e衰減長度為~6.8μm，并且介電和等離子體波導之間的耦合效率為每個躍遷~0.66。

　　此處波導的設計是整個實驗的核心，文章原作者經過計算進行巧妙的分析構造，大大提高了科研效率。同時，這也為文章的理論奠定了堅實基礎，使得文章實驗和理論結合的很完美。

圖3 在50-50定向耦合器中測量TPQI

　　a，b，在介質耦合器（a）中，我們觀察到TPQI的可見度為0.944±0.003，時間寬度為0.12±0.01ps，而在等離子體情況下（b），觀察到的可見度為0.932±0.01和寬度 0.11±0.01 ps。每個點代表一組五次測量的平均值，每次測量為~3,000次（介電耦合器）或每次測量~1,600次的三次測量（等離子體耦合器）。 紅線表示適合于反向高斯函數（補充第2節），從中提取每個干涉傾角的可見度和寬度。各個點上的誤差條顯示±1 s.d. 所測量的測量結果，而可見度的估計誤差，也是±1 s.d.，是通過將模型函數擬合到數據得出的。 下降寬度的估計誤差表示可調延遲線的精度。

圖4 TPQI在不同長度的等離子體耦合器中

　　 正如預期的那樣，TPQI的可見度隨著定向耦合器的分裂比偏離50-50而降低。 插圖：顯示光從波導輸出發散的圖像，確認耦合器隨著耦合長度的增加變得更不對稱。

　　為了提供進一步證據表明該測量確實是由等離子體耦合器上的TPQI產生的，在具有不同耦合長度的等離子體耦合器中進行了類似的測量（圖2a），因此具有不同的分裂比。 結果如圖4所示。正如預期的那樣，對于偏離50-50的分裂比，TPQI的可見性單調減少。 此外，使用800 nm對準激光照射每個耦合器的一個輸入，并使用帶有放大光學系統的數碼相機來形成從波導輸出中散開的光的圖像。 如圖4中的插圖圖像所示，耦合器的兩個輸出之間的強度分布隨耦合長度系統地變化，從而確認定向耦合器確實如預期的那樣起作用。

　　原作者得出結論，實驗證明了等離子體波導中明確的量子干涉。此外，在介電和等離子體波導中測量TPQI之間的密切對應表明，相同的光子在緊密限制的高損耗等離子體結構中仍然難以區分，其中電磁場與金屬強烈相互作用。如果可以減小損耗，這種高度的一致性證實了等離子體成分確實可以在量子計算中應用。最后，實驗為進一步研究等離子體電路中的量子干涉和糾纏奠定了基礎。

　　筆者認為這篇文章是研究等離子體量子光學現象的先驅，但整個設計的核心也是需要用到我們強大的數值軟件進行波導的設計，因此數值仿真模擬無論是在經典物理還是量子物理中，都將發揮它越來越強大的仿真功能。

　　參考文獻:

　　https://www.nature.com/articles/nphoton.2014.40