Ny kvanteforskning giver indsigt i, hvordan kvantelys kan mestres

Et team af forskere ved Los Alamos National Laboratory foreslår, at modulerede kvantemetasoverflader kan styre alle egenskaber ved fotoniske qubits, et gennembrud, der kan påvirke områderne med kvanteinformation, kommunikation, sansning og billeddannelse, samt energi og momentumhøst. Resultaterne af deres undersøgelse blev offentliggjort i går i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , udgivet af American Physical Society.

"Folk har studeret klassiske metasurfaces i lang tid, "siger Diego Dalvit, der arbejder i gruppen kondenseret stof og komplekse systemer på laboratoriets teoretiske afdeling. "Men vi kom på denne nye idé, som skulle modulere i tid og rum de optiske egenskaber ved en kvantemetasoverflade, der tillader os at manipulere, på forespørgsel, alle frihedsgrader for en enkelt foton, som er den mest elementære lysenhed. "

Metasurfaces er ultratynde strukturer, der kan manipulere lys på måder, der normalt ikke ses i naturen. I dette tilfælde, teamet udviklede en metasurface, der lignede en række roterede kryds, som de derefter kan manipulere med lasere eller elektriske impulser. De foreslog derefter at skyde en enkelt foton gennem metaoverfladen, hvor foton deler sig i en superposition af mange farver, stier, og roterende tilstande, der alle er sammenflettet, generere såkaldt kvanteforvikling-hvilket betyder, at den enkelte foton er i stand til at arve alle disse forskellige egenskaber på én gang.

"Når metaoverfladen moduleres med laser eller elektriske impulser, man kan styre frekvensen af ​​den brydte enkeltfoton, ændre dens bane vinkel, retningen af ​​dets elektriske felt, såvel som dens twist, "siger Abul Azad fra Center for Integrerede Nanoteknologier ved Laboratoriets Afdeling for Materialer Fysik og Anvendelser.

Ved at manipulere disse egenskaber, denne teknologi kunne bruges til at kode information i fotoner, der rejser inden for et kvantenetværk, alt fra banker, kvantecomputere, og mellem Jorden og satellitter. Kodning af fotoner er særlig ønskeligt inden for kryptografi, fordi "aflyttere" ikke er i stand til at se en foton uden at ændre dens grundlæggende fysik, som hvis gjort ville derefter advare afsender og modtager om, at oplysningerne er blevet kompromitteret.

Forskerne arbejder også på, hvordan man kan trække fotoner fra et vakuum ved at modulere kvantemetasoverfladen.

"Kvantevakuumet er ikke tomt, men fuld af flygtige virtuelle fotoner. Med den modulerede kvantemetasoverflade er man i stand til effektivt at udtrække og konvertere virtuelle fotoner til ægte fotonpar, "siger Wilton Kort-Kamp, der arbejder i den teoretiske afdeling ved laboratoriets gruppe af kondenseret materie og komplekse systemer.

At udnytte fotoner, der findes i vakuumet og skyde dem i en retning, bør skabe fremdrift i den modsatte retning. Tilsvarende omrøring af vakuumet bør skabe rotationsbevægelse fra de snoede fotoner. Struktureret kvantelys kunne derefter en dag bruges til at generere mekanisk tryk, bruger kun små mængder energi til at drive metaoverfladen.