Quantum metasurface for multiphoton interference and state reconstruction

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作者
Kai Wang,James Titchener,Sergey Kruk,Lei Xu,H. P. Chung,Matthew Parry,Ivan I. Kravchenko,Yen-Hung Chen,Alexander S. Solntsev,Yuri S. Kivshar,Dragomir N. Neshev,Andrey A. Sukhorukov
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:361 (6407): 1104-1108 被引量:283
标识
DOI:10.1126/science.aat8196
摘要

Metasurfaces based on resonant nanophotonic structures have enabled innovative types of flat-optics devices that often outperform the capabilities of bulk components, yet these advances remain largely unexplored for quantum applications. We show that nonclassical multiphoton interferences can be achieved at the subwavelength scale in all-dielectric metasurfaces. We simultaneously image multiple projections of quantum states with a single metasurface, enabling a robust reconstruction of amplitude, phase, coherence, and entanglement of multiphoton polarization-encoded states. One- and two-photon states are reconstructed through nonlocal photon correlation measurements with polarization-insensitive click detectors positioned after the metasurface, and the scalability to higher photon numbers is established theoretically. Our work illustrates the feasibility of ultrathin quantum metadevices for the manipulation and measurement of multiphoton quantum states, with applications in free-space quantum imaging and communications.

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