“扭曲”的光子可为下一代量子通信提供涡轮增压

量子计算机和通信设备通过将信息编码为单个光子或纠缠光子来工作，从而使数据能够以量子安全的方式传输和处理，其速度比传统电子设备快得多。相关研究人员展示了一种将更多信息编码成单个光子的方法，为更快、更强大的量子通信工具打开了大门。通常，量子通信系统将信息“写入”光子的自旋角动量。在这种情况下，光子进行右或左循环旋转，或者形成两个量子叠加，称为二维量子比特。也可以将信息编码到光子的轨道角动量上，即光在向前扭曲和扭转时所遵循的螺旋路径，每个光子围绕光束中心旋转。当自旋和角动量互锁时，它会形成一个高维量子数，使得理论上无限范围的值中的任何一个都能被编码到单个光子中并由其传播。在2022年8月号《Optica》的封面故事中，StefanStrauf表示，他们可以根据需要创建和控制单个飞行量子或“扭曲”光子，这一突破可能会极大地扩展量子通信工具的功能。能够发射单个光子的基于集成齿轮形谐振器的量子发射器。通过微调发射器和齿轮形谐振器的排列，可以利用光子自旋与其轨道角动量之间的相互作用，根据需要创建单个“扭曲”光子。“通常，自旋角动量和轨道角动量是光子的独立性质。我们的设备是第一个通过两者之间的受控耦合同时控制这两种性质的设备，”研究生YichenMa解释道。Ma说：“重要的是，我们已经证明，我们可以用单光子而不是经典光束来实现这一点，这是任何量子通信应用的基本要求。”将信息编码到轨道角动量中，从根本上增加了可以传输的信息。利用“扭曲”光子可以提高量子通信工具的带宽，使其能够更快地传输数据。为了产生扭曲的光子，团队使用了一种原子厚度的钨二硒化物薄膜，这是一种即将推出的新型半导体材料，来创建能够发射单个光子的量子发射器。接下来，他们将量子发射器耦合到一个内部反射的环形空间中，该空间称为环形谐振器。通过微调发射器和齿轮形谐振器的排列，可以利用光子自旋与其轨道角动量之间的相互作用，根据需要创建单个“扭曲”光子。实现这种自旋动量锁定功能的关键在于环形谐振器的齿轮形图案，在设计中经过精心设计后，会产生扭曲的涡旋光束，设备以光速射出。通过将这些功能集成到一个只有20微米、大约四分之一人类头发宽度的单片微芯片中，该团队创造了一个扭曲的光子发射器，作为量子通信系统的一部分，它能够与其他标准化组件交互。一些关键挑战仍然存在。虽然该团队的技术可以控制光子顺时针或逆时针旋转的方向，但要控制准确的轨道角动量模数还需要更多的工作。这是一种关键能力，它将使理论上无限范围的不同值被“写入”到单个光子中，然后从中提取。还需要进一步的工作来创建一种设备，该设备可以创建具有严格一致量子特性的扭曲光子，即无法区分的光子，这是启用量子互联网的关键要求。马说，这些挑战影响到量子光子学领域的每个人，可能需要材料科学的新突破来解决。他补充道：“前面还有很多挑战。”。“但我们已经展示了创造量子光源的潜力，这种光源比以前任何可能的光源都更加通用。”

全新溶剂使3D/2D双层钙钛矿光伏电池更稳定更高效

长期以来，太阳能电池一直是全球可再生能源愿景的一部分，但目前市场上的太阳能电池大多使用硅作为材料，这使得它们的造价相对较高。这就是金属卤化物钙钛矿出现的原因。这种晶体结构不仅能将光转化为电能，成本也比硅基光伏电池低得多。此外，基于钙钛矿的太阳能电池可以用刚性和柔性的基材制作，因此除了价格便宜之外，它们还可以更轻更灵活。然而，由于其在效率、寿命等方面不如传统的太阳能电池，当前钙钛矿电池还无法将后者取代。现在，美国莱斯大学（RiceUniversity）的工程师开发了一种方法，有望生产稳定、高效的双层钙钛矿太阳能电池，因为他们找到了合适的溶剂设计，可以在不破坏底层3D层的情况下应用2D钙钛矿电池顶层。研究人员AdityaMohite说，“2D的钙钛矿吸收蓝色和可见的光子，3D的钙钛矿吸收近红外。当两层材料相同时，制作溶液处理双分子层从根本上是具有挑战性的。问题是它们溶于同一种溶剂。当你把2D层放在3D层上时，溶剂会破坏底层。但我们的新方法解决了这个问题。”根据科学家们的说法，要找到一种溶剂，使钙钛矿电池表面覆盖2D层，而不破坏底部的3D层，关键是要平衡溶剂本身的两种特性。他们解释称，“如果你发现它们之间的相关性，你会发现大约有四种溶剂可以溶解钙钛矿，并在不破坏3D层的情况下包裹它们。”据悉，这款新型3D/2D太阳能电池的厚度约为1微米，不包括玻璃基板，转换效率高达24.5%。在测试中，当这些电池暴露在100%阳光下超过2000小时后，甚至没有1%的降解。研究人员表示，他们的方法可以促进钙钛矿层的发展，具有“巨大的控制力”。Mohite说，“这使得我们不仅可以控制太阳能电池，还可以控制光电设备和LED的电荷和能量流动。”研究人员们还表示，他们预计这种新型电池将用于绿色氢气生产、离网太阳能应用、无人机和光伏建筑一体化（BIPV）。这项研究成果已于近期发表在了《科学》杂志上。

新型平板玻璃为AR眼镜提供最佳视觉效果

体验过AR眼镜的人都知道，这项技术还没有准备好成为我们日常生活的一部分。研究人员一直在努力完善高性能增强现实（AR）眼镜，但仍有许多挑战。传统AR眼镜的一个主要问题是，在您实际看到的外部场景和您想要可视化的上下文信息之间，在质量和亮度方面存在权衡。像谷歌眼镜这样的早期解决方案，使用了多个笨重的光学组件，这些组件部分反射，部分透射，以混合真实世界和背景场景，导致了两个场景的视觉模糊和扭曲。AR眼镜需要完美融合了外部环境和人眼的上下文信息，在许多应用中都非常有用。作为一种平视显示器，该技术可以为驾驶汽车的人提供导航指示，或将传感器的数据传送给驾驶飞机的飞行员。作为头戴式显示器，该技术可以使外科医生和士兵以前所未有的轻松和高效查看与其手头任务相关的信息。AR眼镜所需的玻璃不仅需要在几乎整个可见光谱上保持高度透明，允许对外部世界进行未衰减和未失真的视觉，还需要作为一个高效透镜，将微型投影仪中的光线聚焦到人眼中，形成与外部真实场景相伴随的视觉环境。新型波长选择性波前成形玻璃哥伦比亚一公司的研究人员报告说，他们现在已经发明了这种玻璃。该团队研制出了一种平面光学设备，该设备只聚焦少数选定的窄带光颜色，同时对绝大多数光谱中的非选定光保持透明。相关研究成果发表在《光学：科学与应用》（Light:Science&Applications）。使用多功能非局部超表面作为光学透视透镜的AR眼镜研究的负责人Yu说：“我们已经制造了一种非常酷的平板光学设备，它看起来像一块简单的玻璃一样完全透明，直到你用正确波长的光束照射到它上面，然后设备突然变成透镜。对我来说，这就像光学魔法。”超表面Yu的团队开发了基于超表面超薄光学元件的平面光学器件，以控制光在自由空间和光波导中的传播。超表面是由二维（2D）阵列的设计散射体组成的，称为“光学天线”，是一种具有纳米尺度尺寸的微型天线。超表面的主要特征是光学散射体在光学上都是不同的。它们散射的光可以具有不同的振幅、相位或偏振，因此超表面可以引入空间变化的光学响应，从而以极其灵活的方式控制光。因此，超表面可以实现传统上需要占用空间更大的3D光学组件或设备的功能，例如聚焦或控制光束，或在集成光子芯片上切换光学信号。非局部超表面Yu的团队发明了一种“非局部超表面”，可以在不同的目标波长以不同的方式操纵光波，而不影响非目标波长的光。新设备通过选择一种颜色（光谱）并将其聚焦（空间），不仅在单个波长上，而且在多个不同波长上独立地对光进行空间和光谱控制。例如，一个演示的设备既可以作为会聚透镜，将光聚焦在一种颜色，也可以作为凹面透镜，以第二种颜色散射光，同时在光谱的其余颜色上用光照射时，保持透明，就像未着色的玻璃板一样。该团队展示了一种多功能设备，它可以在四个不同的波长上独立地塑造光波阵面，但在其他非选择的波长上充当透明衬底。这是迄今为止最具多功能和多色的超表面AR应用这些新的波长选择性、波前整形“非局部”亚表面为增强现实技术提供了一个有前景的解决方案，包括汽车前挡风玻璃上的平视显示器。光学透视镜头可以在微型投影仪选定的窄带波长处将背景信息反射到观看者的眼睛中，同时还可以看到真实世界的无障碍、无遮挡的宽带视图。而且，由于波长选择性亚表面透镜比人的头发薄，它们非常适合开发看起来和感觉都像舒适时尚眼镜的AR护目镜。量子光学Yu的平坦超表面也可以用来大大降低操纵超冷原子的量子光学装置的复杂性。由于必须独立控制不同波长的多束激光，以冷却、捕获和监测冷原子，这些设置可能会变得非常庞大。这种复杂性使得研究人员很难在原子钟、量子模拟和计算中广泛采用冷原子。现在，代替在真空室周围为冷原子建造几个端口，每个端口都有其独特的光束整形光学组件，可以使用单个超表面器件同时整形实验中使用的多个激光束。下一步将在可见光谱范围内演示该概念本研究中的器件使用纳米结构硅薄膜同时独立地控制多个近红外光束的波前。该团队计划接下来在可见光谱范围内演示这一概念，使用一个在可见光中具有低吸收损耗的设备平台（如薄膜氮化硅和二氧化钛）来完全控制三个窄带可见激光束的波前。他们还正在探索波长选择性超表面平台的可扩展性，方法是将两个以上的扰动包含到单个超表面中，并将两个多个超表面堆叠到一个复合设备中。

上海光机所在光脉冲群速度控制研究方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室和张江实验室、上海科技大学合作，在锥形叠加传输不变光脉冲的群速度控制研究方面取得进展，相关成果以“Investigatinggroup-velocity-tunablepropagation-invariantopticalwave-packets”为题发表于ScientificReports。传输不变光波包也叫无衍射光波包，其时空形状在传输过程中保持不变，且传输距离远远超过了瑞利距离的限制。一个典型的例子就是高斯脉冲光束锥形叠加后产生的贝塞尔X光波包。该光波包已经在医学诊断、生物成像、微纳制造和光学通信等领域发挥了巨大的作用。由于兼具长传输距离和超光速群速度两个特性，近期该光波包在强场激光物理领域也备受关注。例如，可实现相位锁定的电子加速，通过显著增加电子加速的长度，从而大幅提高加速电子的能量。在物理空间和动量空间分别描述锥形叠加产生的传输不变光波包：群速度为(a)传统超光速、(b)加强超光速、(c)亚光速、(d)加速超光速、(e)减速亚光速和(f)任意变速度。研究团队此前发现将脉冲光束的“脉冲前沿”与“相位前沿”分离后加以调制，可任意控制锥形叠加传输不变光波包的群速度【Sci.Rep.10,11481(2020)和Commun.Phys.3,211(2020)】。本工作报道了产生超光速、亚光速、加速、减速和任意变速群速度的方法，特别是在物理空间和动量空间（傅里叶空间）分别进行了公式推导和理论解释。该工作为产生群速度可控的传输不变光波包提供了理论依据，将来可服务于诸如相位锁定电子加速等强场激光物理实验。

光信息传输的突破：光涡旋的单行道

马克斯·普朗克光科学研究所的科学家们首次成功制造出一种单向装置，该装置显著提高了光通信中一类特殊传输信号的质量：光涡旋。通过单向传输选择性光涡旋模式，该装置将有害的后向散射降至最低。科学家们强调了他们的发现在许多光学系统中的巨大实用价值，应用范围从模分复用通信和光镊到涡旋激光器和量子操作系统。手性光子晶体纤维中拓扑选择性布里渊散射效应的可视化.线性箭头是传播方向，圆形箭头是圆形极化状态或涡流相位。通过增加光信息的传输量，可以改进光通信。这可以通过使用多路复用通道来实现，例如使用许多光波长、不同的偏振状态或多个时隙。近十年来，由于正交空间模间的串扰很小，光空间模作为波导的特征场，被广泛应用于进一步提高通信能力。在经典通信和量子通信中，在复用方法中使用涡旋模式已被证明是有利的。这种特殊的模式集具有螺旋光相位分布，并允许多路复用光信号的额外自由度。像涡旋发生器、激光器和信号放大器这样的设备被演示了，需求量很大。目前还没有一种装置能够允许某些涡旋模式在一个方向上而不是相反方向上传播，这对其适用性造成了限制。然而，正是这种设备——所谓的光学涡旋隔离器——对于提高信号的质量和纯度至关重要。研制这种装置的特别困难在于光学的一个基本原理:互易。当源和观测点互换时，需要传输通道的对称响应。研究人员成功构建了光学涡流绝缘体现在，马克斯·普朗克光科学研究所的一个由曾兴林、菲利普·拉塞尔和比吉特·斯蒂勒领导的团队取得了一项突破，使这成为可能:他们使用只沿一个方向传播的声波，打破了选定的涡旋模式的光传输互易性。手性光子晶体光纤中所谓的拓扑选择性布里洛因-曼尔斯塔姆散射效应允许涡旋光波与传播声波的单向相互作用。一个特定的光学涡旋可以被一个精心设计的控制光强烈地抑制或放大。发表在《科学进展》杂志上的实验结果表明，该系统具有显著的涡隔离率，防止了系统中的随机后向散射和信号退化。这篇论文的第一作者曾兴林说：“这是涡旋模的第一个非互易系统，它为非互易光学开辟了一个新的视角——同样的物理效应不仅可以发生在基本模上，也可以发生在高阶模上。”量子光声学研究小组的负责人BirgitStiller说：“光驱动光涡旋隔离器将对光通信、量子信息处理、光镊、光纤激光器等应用产生重大影响。我发现光和声波选择性操纵旋涡模式的可能性是一个非常迷人的概念。”

研究人员实现1.84Pbit/s光纤通信纪录

日前，丹麦技术大学和瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学的研究人员使用单个激光器和单个光学芯片实现了超过1Pbit/s的数据速率，团队使用一个光源在37芯、7.9公里长的光纤上成功实现了1.84Pbit/s的传输速率。丹麦技术大学介绍，他们是世界上第一个仅使用单个激光器和单个光学芯片每秒传输超过1拍比特(Pbit/s)的研究人员。在实验中，研究人员成功传输了1.84Pbit/s，相当于全球互联网每秒总流量的两倍。并且仅由来自一个光源的光携带。光源是一个定制设计的光学芯片，它可以使用来自单个红外激光器的光来创建多种颜色的彩虹光谱，即多种频率。因此，单个激光器的一个频率（颜色）可以在单个芯片中倍增成数百个频率（颜色）。所有的颜色都固定在一个特定的频率距离上——就像梳子上的牙齿——这就是为什么它被称为频率梳（frequencycomb）。然后可以隔离每种颜色（或频率）并用于印记数据。然后可以重新组合频率并通过光纤发送，从而传输数据。实验演示表明，单个芯片可以轻松承载1.84Pbit/s，如果使用当代最先进的商业设备，则需要1000多个激光器。查尔姆斯理工大学教授VictorTorresCompany是开发和制造该芯片的研究小组的负责人。VictorTorresCompany教授表示：“这种芯片的特别之处在于它产生了具有理想光纤通信特性的频率梳，它具有高光功率并覆盖了对高级光通信感兴趣的光谱区域内的宽带宽。”有趣的是，该芯片并未针对这一特定应用进行优化。“事实上，某些特征参数是巧合而非设计实现的，然而，通过我们团队的努力，现在能够对工艺进行逆向工程，并为电信领域的目标应用实现高重现性的微梳。”据介绍，该解决方案提供了替代位于互联网中心和数据中心的数十万台激光器的潜力，所有这些激光器都会消耗电力并产生热量，新研究有机会为实现减少气候足迹的互联网做出贡献。