|
Метаповерхности открывают новые возможности для квантовых исследований
|
|
|
|
Ученые из Института науки о свете Макса Планка и Университета Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге в сотрудничестве с Национальными лабораториями Сандиа успешно создали пары фотонов на нескольких разных частотах, используя резонансные метаповерхности. Фотон — это квант (минимальное количество, участвующее во взаимодействии) любой формы электромагнитного излучения, например света. Фотоны необходимы для ряда текущих областей исследований и технологий, таких как квантовая инженерия состояний, которая, в свою очередь, представляет собой краеугольный камень всех квантово-фотонных технологий. С помощью квантовой фотоники ученые и инженеры работают над созданием новых технологий, таких как новые формы шифрования для высокозащищенных каналов связи и новые типы суперкомпьютеров.
|
|
|
|
Одним из ключевых требований для инженерии квантовых состояний является создание пар фотонов. Традиционно это достигалось за счет использования одного из двух нелинейных эффектов, спонтанного параметрического преобразования с понижением частоты (SPDC) или спонтанного четырехволнового смешения (SFWM) в объемных оптических элементах. Нелинейные эффекты вызывают спонтанный распад одного или двух фотонов накачки на пару фотонов. Однако эти эффекты требуют строгого сохранения импульса участвующих фотонов. Любой материал, через который должны пройти фотоны, обладает дисперсионными свойствами, препятствующими сохранению импульса. Существуют методы, которые по-прежнему обеспечивают необходимое сохранение, но они сильно ограничивают разнообразие состояний, в которых могут быть созданы пары фотонов. В результате, несмотря на то, что традиционные оптические элементы, такие как нелинейные кристаллы и волноводы, успешно создают множество фотонных квантовых состояний, их использование ограничено и громоздко. Недавно исследователи обратили внимание на так называемые оптические метаповерхности.
|
|
|
Метаповерхности представляют собой ультратонкие планарные оптические устройства, состоящие из массивов нанорезонаторов. Их субволновая толщина (несколько сотен нанометров) делает их фактически двумерными. Это делает их намного проще в обращении, чем традиционные громоздкие оптические устройства. Что еще более важно, из-за меньшей толщины сохранение импульса фотонов ослабляется, поскольку фотонам приходится проходить через гораздо меньший материал, чем в традиционных оптических устройствах: в соответствии с принципом неопределенности ограничение в пространстве приводит к неопределенному импульсу. Это позволяет осуществлять множество нелинейных и квантовых процессов с сопоставимой эффективностью и открывает двери для использования многих новых материалов, которые не работают в традиционных оптических элементах.
|
|
|
|
По этой причине, а также из-за того, что они компактны и более практичны в обращении, чем громоздкие оптические элементы, метаповерхности привлекают внимание как источники пар фотонов для квантовых экспериментов. Кроме того, метаповерхности могли одновременно преобразовывать фотоны в нескольких степенях свободы, таких как поляризация, частота и путь. Томас Сантьяго-Крус и Мария Чехова из Института науки о свете Макса Планка и Университета Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге в сотрудничестве с исследовательской группой Игала Бренера из Национальной лаборатории Сандия в Альбукерке, штат Нью-Мексико, сделали новый шаг. в достижении именно этого. В статье, недавно опубликованной в журнале Science, Чехова и ее коллеги впервые продемонстрировали, как метаповерхности производят пары фотонов с двумя разными длинами волн.
|
|
|
|
Более того, фотоны определенной длины волны могут быть объединены в пары с фотонами двух или более разных длин волн одновременно. Таким образом, можно создать несколько связей между фотонами разного цвета. Кроме того, резонансы метаповерхности увеличивают скорость испускания фотонов на несколько порядков по сравнению с однородными источниками той же толщины. Томас Сантьяго-Крус считает, что метаповерхности будут играть ключевую роль в будущих квантовых исследованиях: «Метаповерхности ведут к сдвигу парадигмы в квантовой оптике, объединяя сверхмалые источники квантового света с далеко идущими возможностями для квантовой инженерии состояний».
|
|
|
|
В будущем эти функции можно будет использовать для построения очень больших сложных квантовых состояний, которые необходимы для квантовых вычислений. Кроме того, тонкий профиль метаповерхностей и их многофункциональность позволяют разрабатывать более совершенные компактные устройства, сочетающие генерацию, преобразование и обнаружение квантовых состояний. Мария Чехова в восторге от пути, по которому идут их исследования: «Источники наших фотонов становятся все мельче и мельче, а в то же время их возможности становятся все шире и шире».
|
|
|
|
Источник
|
