En ultratunn uppfinning skulle kunna göra framtida dator-, avkännings- och krypteringsteknik anmärkningsvärt mindre och kraftfullare genom att hjälpa forskare att kontrollera ett märkligt men användbart fenomen inom kvantmekaniken, enligt ny forskning som nyligen publicerats i tidskriften Science .

Forskare vid Sandia National Laboratories och Max Planck Institute for the Science of Light har rapporterat om en enhet som kan ersätta ett rum fullt av utrustning för att länka fotoner i en bisarr kvanteffekt som kallas intrassling. Den här enheten – ett slags nanokonstruerat material som kallas en metayta – banar väg för att intrassla in fotoner på komplexa sätt som inte har varit möjligt med kompakta teknologier.

När forskare säger att fotoner är intrasslade menar de att de är sammanlänkade på ett sådant sätt att handlingar på den ena påverkar den andra, oavsett var eller hur långt från varandra fotonerna är i universum. Det är en effekt av kvantmekaniken, fysikens lagar som styr partiklar och andra mycket små saker.

Även om fenomenet kan verka konstigt, har forskare utnyttjat det för att bearbeta information på nya sätt. Till exempel hjälper intrassling till att skydda ömtålig kvantinformation och korrigera fel i kvantberäkningar, ett område som en dag kan få omfattande konsekvenser för nationell säkerhet, vetenskap och finans. Entanglement möjliggör också nya, avancerade krypteringsmetoder för säker kommunikation.

Forskning för den banbrytande enheten, som är hundra gånger tunnare än ett pappersark, utfördes delvis vid Center for Integrated Nanotechnologies, en användaranläggning för Department of Energy Office of Science som drivs av Sandia och Los Alamos nationella laboratorier. Sandias team fick finansiering från Office of Science, Basic Energy Sciences-programmet.

Ljus går in, intrasslade fotoner kommer ut

Den nya metaytan fungerar som en dörröppning till detta ovanliga kvantfenomen. På något sätt är det som spegeln i Lewis Carrols "Through the Looking-Glass", genom vilken den unga huvudpersonen Alice upplever en främmande, ny värld.

Istället för att gå igenom sin nya enhet lyser forskarna en laser genom den. Ljusstrålen passerar genom ett ultratunt prov av glas täckt av strukturer i nanoskala gjorda av ett vanligt halvledarmaterial som kallas galliumarsenid.

"Det förvränger alla optiska fält", säger Sandias seniorforskare Igal Brener, en expert inom ett område som kallas olinjär optik som ledde Sandia-teamet. Ibland, sa han, kommer ett par intrasslade fotoner med olika våglängder fram från provet i samma riktning som den inkommande laserstrålen.

Brener sa att han är exalterad över den här enheten eftersom den är designad för att producera komplexa vävar av intrasslade fotoner - inte bara ett par i taget, utan flera par som alla är intrasslade tillsammans, och några som inte går att skilja från varandra. Vissa tekniker behöver dessa komplexa varianter av så kallad multi-entanglement för sofistikerade informationsbehandlingssystem.

Andra miniatyrteknologier baserade på kiselfotonik kan också trassla in fotoner men utan den välbehövliga nivån av komplex, multi-entanglement. Hittills var det enda sättet att producera sådana resultat med flera bord fulla av lasrar, specialiserade kristaller och annan optisk utrustning.

"Det är ganska komplicerat och lite svåröverskådligt när denna multi-trassling behöver mer än två eller tre par," sa Brener. "Dessa olinjära metasytor uppnår i huvudsak denna uppgift i ett prov när det tidigare hade krävt otroligt komplexa optiska inställningar."

Science-uppsatsen beskriver hur teamet framgångsrikt trimmade sin metayta för att producera intrasslade fotoner med varierande våglängder, en kritisk föregångare till att generera flera par av intrikat intrasslade fotoner samtidigt.

Forskarna noterar dock i sin uppsats att effektiviteten hos deras enhet – den hastighet med vilken de kan generera grupper av intrasslade fotoner – är lägre än för andra tekniker och måste förbättras.

Vad är en metayta?

En metayta är ett syntetiskt material som interagerar med ljus och andra elektromagnetiska vågor på ett sätt som konventionella material inte kan. Kommersiella industrier, sa Brener, är upptagna med att utveckla metasytor eftersom de tar mindre plats och kan göra mer med ljus än till exempel en traditionell lins.

"Du kan nu ersätta linser och tjocka optiska element med metasytor," sa Brener. "Dessa typer av metasytor kommer att revolutionera konsumentprodukter."

Sandia är en av de ledande institutionerna i världen som bedriver forskning inom metasytor och metamaterial. Mellan dess Microsystems Engineering, Science and Applications-komplex, som tillverkar sammansatta halvledare, och det närliggande Centre for Integrated Nanotechnologies, har forskare tillgång till alla de specialiserade verktyg de behöver för att designa, tillverka och analysera dessa ambitiösa nya material.

"Arbetet var utmanande eftersom det krävde exakt nanotillverkningsteknik för att erhålla de skarpa, smalbandiga optiska resonanserna som grundar arbetets kvantprocess", säger Sylvain Gennaro, en tidigare postdoktor vid Sandia som arbetade med flera aspekter av projektet.

Enheten designades, tillverkades och testades genom ett partnerskap mellan Sandia och en forskargrupp ledd av fysikern Maria Chekhova, expert på kvantintrassling av fotoner vid Max Planck Institute for the Science of Light.

"Metasytor leder till ett paradigmskifte inom kvantoptik, som kombinerar ultrasmå källor av kvantljus med långtgående möjligheter för kvanttillståndsteknik", säger Tomás Santiago-Cruz, medlem i Max Plank-teamet och första författare på tidningen.

Brener, som har studerat metamaterial i mer än ett decennium, sa att den här nyaste forskningen möjligen kan utlösa en andra revolution - en som ser dessa material utvecklade inte bara som en ny typ av lins, utan som en teknik för kvantinformationsbehandling och andra nya tillämpningar .

"Det fanns en våg med metasytor som redan är väletablerad och på väg. Kanske kommer det en andra våg av innovativa applikationer", sa han. + Utforska vidare

Metasytor erbjuder nya möjligheter för kvantforskning