En tynd enhed udløser et af kvantemekanikkens mærkeligste og mest nyttige fænomener

En ultratynd opfindelse kan gøre fremtidens computer-, sensing- og krypteringsteknologier bemærkelsesværdigt mindre og mere kraftfulde ved at hjælpe videnskabsmænd med at kontrollere et mærkeligt, men nyttigt fænomen inden for kvantemekanik, ifølge ny forskning, der for nylig er offentliggjort i tidsskriftet Science .

Forskere ved Sandia National Laboratories og Max Planck Institute for Science of Light har rapporteret om en enhed, der kunne erstatte et rumfuldt udstyr til at forbinde fotoner i en bizar kvanteeffekt kaldet entanglement. Denne enhed – en slags nano-konstrueret materiale kaldet en metasurface – baner vejen for sammenfiltring af fotoner på komplekse måder, som ikke har været muligt med kompakte teknologier.

Når videnskabsmænd siger, at fotoner er viklet ind, mener de, at de er forbundet på en sådan måde, at handlinger på den ene påvirker den anden, uanset hvor eller hvor langt fra hinanden fotonerne er i universet. Det er en effekt af kvantemekanikken, fysikkens love, der styrer partikler og andre meget små ting.

Selvom fænomenet kan virke underligt, har videnskabsmænd udnyttet det til at behandle information på nye måder. For eksempel hjælper sammenfiltring med at beskytte sarte kvanteinformationer og korrigere fejl i kvanteberegning, et felt, der en dag kan have omfattende konsekvenser for national sikkerhed, videnskab og finans. Entanglement muliggør også nye, avancerede krypteringsmetoder til sikker kommunikation.

Forskning for den banebrydende enhed, som er hundrede gange tyndere end et ark papir, blev delvist udført på Center for Integrated Nanotechnologies, et Department of Energy Office of Science brugerfacilitet, der drives af Sandia og Los Alamos nationale laboratorier. Sandias team modtog finansiering fra Office of Science, Basic Energy Sciences-programmet.

Lys går ind, sammenfiltrede fotoner kommer ud

Den nye metaflade fungerer som en døråbning til dette usædvanlige kvantefænomen. På nogle måder er det ligesom spejlet i Lewis Carrols "Through the Looking-Glass", hvorigennem den unge hovedperson Alice oplever en mærkelig, ny verden.

I stedet for at gå gennem deres nye enhed, skinner forskerne en laser igennem den. Lysstrålen passerer gennem en ultratynd glasprøve dækket af strukturer i nanoskala lavet af et almindeligt halvledermateriale kaldet galliumarsenid.

"Det forvrider alle de optiske felter," sagde Sandia seniorforsker Igal Brener, en ekspert inden for et felt kaldet ikke-lineær optik, som ledede Sandia-teamet. Af og til, sagde han, kommer et par sammenfiltrede fotoner med forskellige bølgelængder ud fra prøven i samme retning som den indkommende laserstråle.

Brener sagde, at han er begejstret for denne enhed, fordi den er designet til at producere komplekse net af sammenfiltrede fotoner - ikke kun et par ad gangen, men flere par, der alle er viklet sammen, og nogle, der ikke kan skelnes fra hinanden. Nogle teknologier har brug for disse komplekse varianter af såkaldt multi-entanglement til sofistikerede informationsbehandlingssystemer.

Andre miniatureteknologier baseret på siliciumfotonik kan også sammenfiltre fotoner, men uden det tiltrængte niveau af komplekse, multi-entanglement. Indtil nu var den eneste måde at producere sådanne resultater på med flere borde fulde af lasere, specialiserede krystaller og andet optisk udstyr.

"Det er ret kompliceret og lidt uoverskueligt, når denne multi-sammenfiltring har brug for mere end to eller tre par," sagde Brener. "Disse ikke-lineære metaoverflader opnår i det væsentlige denne opgave i én prøve, når det før ville have krævet utrolig komplekse optiske opsætninger."

Science-papiret skitserer, hvordan holdet med succes tunede deres metasurface til at producere sammenfiltrede fotoner med varierende bølgelængder, en kritisk forløber for generering af flere par indviklet sammenfiltrede fotoner samtidigt.

Men forskerne bemærker i deres papir, at effektiviteten af ​​deres enhed - den hastighed, hvormed de kan generere grupper af sammenfiltrede fotoner - er lavere end andre teknikker og skal forbedres.

Hvad er en metasurface?

En metasurface er et syntetisk materiale, der interagerer med lys og andre elektromagnetiske bølger på måder, som konventionelle materialer ikke kan. Kommercielle industrier, sagde Brener, har travlt med at udvikle metaoverflader, fordi de fylder mindre og kan mere med lys end for eksempel en traditionel linse.

"Du kan nu erstatte linser og tykke optiske elementer med metasurfaces," sagde Brener. "Disse typer metasurfaces vil revolutionere forbrugerprodukter."

Sandia er en af ​​de førende institutioner i verden, der udfører forskning i metasurfaces og metamaterialer. Mellem dets Microsystems Engineering, Science and Applications-kompleks, som fremstiller sammensatte halvledere, og det nærliggende Center for Integrated Nanotechnologies, har forskere adgang til alle de specialiserede værktøjer, de har brug for til at designe, fremstille og analysere disse ambitiøse nye materialer.

"Arbejdet var udfordrende, da det krævede præcis nanofabrikationsteknologi for at opnå de skarpe, smalbåndede optiske resonanser, der sætter kvanteprocessen i arbejdet," siger Sylvain Gennaro, en tidligere postdoc-forsker ved Sandia, som arbejdede på flere aspekter af projektet.

Enheden blev designet, fremstillet og testet gennem et partnerskab mellem Sandia og en forskergruppe ledet af fysiker Maria Chekhova, en ekspert i kvantesammenfiltring af fotoner ved Max Planck Institute for Science of Light.

"Metasurfaces fører til et paradigmeskifte inden for kvanteoptik, der kombinerer ultrasmå kilder til kvantelys med vidtrækkende muligheder for kvantetilstandsteknologi," sagde Tomás Santiago-Cruz, medlem af Max Plank-teamet og førsteforfatter på papiret.

Brener, som har studeret metamaterialer i mere end et årti, sagde, at denne nyeste forskning muligvis kunne udløse en anden revolution - en, der ser disse materialer udviklet ikke blot som en ny slags linse, men som en teknologi til kvanteinformationsbehandling og andre nye applikationer .

"Der var en bølge med metasurfaces, der allerede er veletablerede og på vej. Måske er der en anden bølge af innovative applikationer på vej," sagde han. + Udforsk yderligere

Metasurfaces tilbyder nye muligheder for kvanteforskning