En kvantemetasoverflade, der samtidigt kan styre flere lysegenskaber

Metasurfaces er kunstige materialer designet på nanoskalaen, som kan styre lysspredningen med usædvanlig høj præcision. I løbet af det sidste årti eller deromkring, disse materialer er blevet brugt til at skabe en række forskellige teknologiske værktøjer lige fra sensorer til linser og billedteknikker.

Et forskerhold ledet af Mikhail Lukin ved Harvard University har for nylig foreslået en ny type metaoverflade, der kan kontrollere både spatiotemporale og kvanteegenskaber for transmitteret og reflekteret lys. I et papir udgivet i Naturfysik , teamet viste, at realisering af en kvantemetasurface er mulig og kunne opnås ved at sammenfiltre det makroskopiske respons af tynde atomarrays til lys.

"Quantum metasurfaces er en helt ny type materialer designet atom for atom, som muliggør applikationer såsom kvanteberegning med fotoner, "Rivka Bekenstein, hovedforfatteren til det seneste papir, fortalte Phys.org. "Vi kombinerede en topmoderne teknik til at manipulere mange atomers tilstand ved hjælp af interaktioner på lang afstand (dvs. Rydberg -interaktioner) med en nylig opdagelse af, hvordan et enkelt ark atomer kan reflektere lys. Vi identificerede en arkitektur, der kan realiseres i laboratoriet, hvor et enkelt lag atomer kan fungere som et omskifteligt kvantespejl. "

Som en del af deres undersøgelse, Bekenstein og hendes kolleger gennemgik forskellige kvantemetasoverflader, der kan kontrolleres for at have forskellige lysspredningsegenskaber. En af de mest fremtrædende kilder til udviklingen af ​​kvanteteknologier er sammenfiltrede stater, som er unikke tilstande, der kun findes for kvanteenheder. Kvantemetamaterialet foreslået af forskerne muliggør produktion af specifikke sammenfiltrede tilstande for mange lyspartikler (dvs. fotoner), som er særligt værdifulde til applikationer til behandling af kvanteoplysninger.

Under visse miljøforhold, atomer kan manipuleres til at blive gennemsigtige ved hjælp af eksterne elektriske felter. Nylige undersøgelser har også vist, at et enkelt ark atomer kan reflektere lys, ligner et almindeligt spejl.

Ved at anvende Rydberg -interaktioner, der naturligt forekommer i atomsystemer, Bekenstein og hendes kolleger var i stand til at identificere et skema, hvor et enkelt lag af atomer samtidigt reflekterer og transmitterer lys i en kvantesuperposition. Med andre ord, den resulterende kvantemetasoverflade kunne både blive gennemsigtig og reflektere lys, som et spejl.

"I kvantemekanik, enheder kan sameksistere i forskellige tilstande-dette kaldes en superpositionstilstand, "Sagde Bekenstein." Vores kvantemetasurface er en ny type materiale, der kan få lys til at eksistere i to forskellige retninger. Dette gøres ved at manipulere atomernes tilstand og derefter skinne en svag laser for at sprede sig fra dem. "

Designstrategien, som Bekenstein og hendes kolleger anvender, fremkalder kvanteindvikling mellem forskellige metaoverflader og lys, samt mellem individuelle lyspartikler. Især arkitekturen, de foreslog, kunne også manipuleres til at have varierende mængder fotoner i sammenfiltrede stater, hvilket er en afgørende evne til de fleste kvanteapplikationer, herunder kvanteberegning.

Gennem en række kvantitative beregninger, forskerne analyserede, hvordan deres metasurface muliggør kvanteoperationer mellem atomer og fotoner, muliggør dannelse af stærkt sammenfiltrede fotoniske tilstande, der er ideelle til applikationer til behandling af kvanteoplysninger.

"En vigtig fordel ved vores arkitektur er, at kun et atom skal fremstilles i en kvantesuperpositionstilstand i laboratoriet, "Sagde Bekenstein." Hundredvis af atomer konstruerer kvantemetasoverfladen, men kun en skal manipuleres på det kvantemekaniske niveau, der gør dette forslag praktisk. Dette er aktiveret på grund af den langdistanceinteraktion, vi bruger i ordningen, som naturligvis eksisterer for atomer i bestemte energiniveauer. "

Bemærkelsesværdigt, den nylige undersøgelse af Bekenstein og hendes kolleger introducerer en teknik til at opnå kvantekontrol over makroskopiske materialers reaktion på lys. Denne teknik kunne bane vejen for udviklingen af ​​en helt ny type kvantematerialer, samtidig potentielt revolutionere den nuværende forståelse af kvanteoptiske materialer og deres reaktion på lys.

"Vi undersøger i øjeblikket yderligere eksperimentelle systemer, der kan realisere de kvantemetasoverflader, vi foreslog, "Sagde Bekenstein." Vi er også interesserede i at afsløre den ikke -lineære reaktion fra disse kvantemetasoverflader til lys, som forekommer for lysstråler med højere intensitet. Endelig, vi undersøger specifikke praktiske anvendelser af de foreslåede kvantemetasoverflader til behandling af kvanteoplysninger. "

© 2020 Science X Network