Två team av forskare från Technion-Israel Institute of Technology har samarbetat för att bedriva banbrytande forskning som leder till utvecklingen av ett nytt och innovativt vetenskapligt område:Quantum Metamaterials. Resultaten presenteras i en ny gemensam artikel publicerad i tidskriften Vetenskap .

Studien genomfördes gemensamt av den framstående professor Mordechai Segev, av Technions fysikavdelning och Solid State Institute och hans team Tomer Stav och Dikla Oren, i samarbete med Prof. Erez Hasman från Technions fakultet för maskinteknik och hans team Arkady Faerman, Elhanan Maguid, och Dr. Vladimir Kleiner. Båda grupperna är också anslutna till Russell Berrie Nanotechnology Institute (RBNI).

Forskarna har för första gången visat att det är möjligt att tillämpa metamaterial på området kvantinformation och beräkningar, vilket banar väg för många praktiska tillämpningar inklusive, bland andra, utvecklingen av okrossbara krypteringar, samt öppna dörren till nya möjligheter för kvantinformationssystem på ett chip.

Metamaterial är artificiellt tillverkade material, består av många konstgjorda strukturer i nanoskala utformade för att svara på ljus på olika sätt. Metasytor är den tvådimensionella versionen av metamaterial:extremt tunna ytor som består av många optiska nanoantenner med subvåglängd, var och en utformad för att fylla en specifik funktion i samspelet med ljus.

Medan hittills, experiment med metamaterial har i stor utsträckning begränsats till manipulationer med klassiskt ljus, Technion-forskarna har för första gången visat att det är experimentellt möjligt att använda metamaterial som byggstenar för kvantoptik och kvantinformation. Mer specifikt, forskarna har visat användningen av metamaterial för att generera och manipulera intrassling – vilket är den mest avgörande egenskapen i varje kvantinformationssystem.

"Vad vi gjorde i det här experimentet är att föra metamaterialfältet till kvantinformationens område, " säger distant Prof. Moti Segev, en av grundarna av Helen Diller Quantum Science, Matter and Engineering Center på Technion. "Med dagens teknik, man kan designa och tillverka material med elektromagnetiska egenskaper som nästan är godtyckliga. Till exempel, man kan designa och tillverka en osynlighetsmantel som kan dölja små saker från radar, eller så kan man skapa ett medium där ljuset böjer sig bakåt. Men hittills har allt detta gjorts med klassiskt ljus. Det vi visar här är hur man kan utnyttja de fantastiska förmågorna hos konstgjorda nanodesignade material för att generera och kontrollera kvantljus."

"Nyckelkomponenten här är en dielektrisk metayta, " säger Prof. Erez Hasman, "som fungerar på ett annat sätt än vänster- och högerhänt polariserat ljus, att pålägga dem motsatta fasfronter som ser ut som skruvar eller virvlar, en medurs och en moturs. Metaytan måste vara nanotillverkad av transparenta material, annars – hade vi tagit med metaller, som i de flesta experiment med metamaterial – skulle kvantegenskaperna förstöras."

"Detta projekt startade i huvudet på två duktiga elever – Tomer Stav och Arkady Faerman, säger Profs Segev och Hasman, "som kom till oss med en banbrytande idé. Projektet leder till många nya riktningar som väcker grundläggande frågor såväl som nya möjligheter för tillämpningar, till exempel, att göra kvantinformationssystem på ett chip och kontrollera kvantegenskaperna vid design."

I sin forskning, forskarna genomförde två uppsättningar experiment för att generera intrassling mellan fotonernas spinn och omloppsrörelsemängd. Fotoner är de elementarpartiklar som utgör ljus:de har noll massa, resa med ljusets hastighet, och interagerar normalt inte med varandra.

I experimenten, forskarna lyste först en laserstråle genom en icke-linjär kristall för att skapa enstaka fotonpar, var och en kännetecknas av noll omloppsrörelsemängd och var och en med linjär polarisation. En foton i linjär polarisation betyder att den är en superposition av högerhänt och vänsterhänt cirkulär polarisation, som motsvarar positiv och negativ spin.

I det första experimentet fortsatte forskarna att dela upp fotonparen - riktade en genom en unik tillverkad metayta och den andra till en detektor för att signalera ankomsten av den andra fotonen. De mätte sedan den enda fotonen som passerade genom metaytan för att finna att den hade fått orbital vinkelmomentum (OAM) och att OAM har blivit intrasslad med spinnet.

I det andra experimentet, de enskilda fotonparen passerades genom metaytan och mättes med hjälp av två detektorer för att visa att de hade trasslat in sig:spinn av en foton hade blivit korrelerad med den andra fotons omloppsrörelsemängd, och vice versa.

Entanglement betyder i princip att de åtgärder som utförs på en foton samtidigt påverkar den andra, även när den är spridd över stora avstånd. Inom kvantmekaniken, fotoner tros existera i både positiva och negativa spinntillstånd, men en gång mätt anta bara en stat.

Detta förklaras kanske bäst genom en enkel analogi:Ta två lådor vardera med två bollar inuti – en röd och en blå boll. Om lådorna inte är intrasslade kan du nå in i lådan och dra ut antingen en röd eller en blå boll. Dock, om lådorna skulle trassla in sig, då kan bollen inuti boxen antingen vara röd eller blå men kommer bara att fastställas i det ögonblick bollen i en box observeras, samtidigt bestämma färgen på bollen i den andra rutan också. Den här historien berättades ursprungligen av den berömde Nobelpristagaren Erwin Schroedinger, presentera scenariot med en katt i en låda, där katten är både levande och död tills lådan öppnas.

När den når metaytan, interaktionen mellan spinn (cirkulär polarisation) och orbital rörelsemängd uppstår. Den lämnar metaytan i ett intrasslat tillstånd av en enda foton; det positiva spinnet (representerat i rött av det elektriska fältets amplitud) och det moturs rotationsmomentet (representerat i rött av fasvirveln) är intrasslat med det negativa spinnet (blått) och det medurs orbitala vinkelmomentet (blått). Animation Credit:Ella Maru Studio

I mer än ett sekel, Technion-Israel Institute of Technology har varit banbrytande inom vetenskap och teknikutbildning och levererat en världsomvälvande effekt. Stolt ett globalt universitet, Technion har länge utnyttjat gränsöverskridande samarbeten för att främja banbrytande forskning och teknologi. Nu med närvaro i tre länder, Technion kommer att förbereda nästa generation av globala innovatörer. Technion människor, idéer och uppfinningar ger omätbara bidrag till världen, innovativa inom områden från cancerforskning och hållbar energi till kvantberäkningar och datavetenskap, att göra gott runt om i världen.