Metasurfaces är konstgjorda material utformade på nanoskala, som kan styra spridningen av ljus med exceptionellt hög precision. Under det senaste decenniet eller så, dessa material har använts för att skapa en mängd olika tekniska verktyg, allt från sensorer till linser och bildteknik.

Ett forskargrupp som leds av Mikhail Lukin vid Harvard University har nyligen föreslagit en ny typ av metasyta som kan styra både spatiotemporala och kvantegenskaper för överfört och reflekterat ljus. I ett papper publicerat i Naturfysik , teamet visade att förverkligandet av en kvantmetasyta är möjligt och kan uppnås genom att det makroskopiska svaret av tunna atomarrayer blandas i ljus.

"Kvantmetasytor är en helt ny typ av material utformade atom för atom, som möjliggör applikationer som kvantberäkning med fotoner, "Rivka Bekenstein, huvudförfattaren till den senaste tidningen, berättade för Phys.org. "Vi kombinerade en toppmodern teknik för att manipulera tillståndet hos många atomer genom långdistansinteraktioner (dvs. Rydberg -interaktioner) med en ny upptäckt av hur ett enda ark med atomer kan reflektera ljus. Vi identifierade en arkitektur som kan realiseras i laboratoriet, där ett enda lager av atomer kan fungera som en omkopplingsbar kvantspegel. "

Som en del av deras studie, Bekenstein och hennes kollegor granskade olika kvantmetasytor som kan styras för att ha olika ljusspridningsegenskaper. En av de mest framträdande källorna för utveckling av kvantteknologi är intrasslade tillstånd, som är unika tillstånd som bara existerar för kvantentiteter. Det kvantmetamaterial som föreslagits av forskarna möjliggör produktion av specifika intrasslade tillstånd av många ljuspartiklar (dvs. fotoner), som är särskilt värdefulla för applikationer för kvantinformationsbehandling.

Under vissa miljöförhållanden, atomer kan manipuleras för att bli transparenta med hjälp av externa elektriska fält. Nyligen genomförda studier har också visat att ett enda ark med atomer kan reflektera ljus, liknar en vanlig spegel.

Genom att använda Rydberg -interaktioner som naturligt förekommer i atomsystem, Bekenstein och hennes kollegor kunde identifiera ett schema där ett enda lager av atomer samtidigt reflekterar och överför ljus i en kvantsuperposition. Med andra ord, den resulterande kvantmetasytan kan både bli transparent och reflektera ljus, som en spegel.

"Inom kvantmekanik, enheter kan samexistera i olika tillstånd-detta kallas ett superpositionstillstånd, "Bekenstein sa." Vår kvantmetasyta är en ny typ av material som kan få ljus att samexistera i två olika riktningar. Detta görs genom att manipulera atomernas tillstånd och sedan skina en svag laser för att sprida dem. "

Designstrategin som används av Bekenstein och hennes kollegor inducerar kvantinvikling mellan olika metasytor och ljus, samt mellan enskilda ljuspartiklar. I synnerhet, arkitekturen de föreslog kunde också manipuleras för att ha olika mängder fotoner i intrasslade tillstånd, vilket är en avgörande förmåga för de flesta kvantapplikationer, inklusive kvantberäkning.

Genom en serie kvantitativa beräkningar, forskarna analyserade hur deras metayta möjliggör kvantoperationer mellan atomer och fotoner, möjliggör generering av mycket intrasslade fotoniska tillstånd som är idealiska för applikationer för behandling av kvantinformation.

"En viktig fördel med vår arkitektur är att endast en atom måste beredas i ett kvantöverlagringsläge i laboratoriet, "Sa Bekenstein." Hundratals atomer konstruerar kvantmetasytan, men bara en måste manipuleras på kvantmekanisk nivå, som gör detta förslag praktiskt. Detta är aktiverat på grund av den långsiktiga interaktionen vi använder i schemat, som naturligt finns för atomer i specifika energinivåer. "

Anmärkningsvärt, den senaste studien av Bekenstein och hennes kollegor introducerar en teknik för att få kvantkontroll över makroskopiska materialers respons på ljus. Denna teknik kan bana väg för utveckling av en helt ny typ av kvantmaterial, samtidigt som den potentiellt revolutionerar den nuvarande förståelsen för kvantoptiska material och deras reaktion på ljus.

"Vi undersöker för närvarande ytterligare experimentella system som kan förverkliga de kvantmetasytor vi föreslog, "Sa Bekenstein." Vi är också intresserade av att avslöja den olinjära responsen av dessa kvantmetasytor till ljus, som förekommer för ljusstrålar med högre intensitet. Till sist, vi undersöker specifika praktiska tillämpningar av de föreslagna kvantmetasytorna för behandling av kvantinformation. "

© 2020 Science X Network