Ett team av forskare vid Los Alamos National Laboratory föreslår att modulerade kvantmetasytor kan kontrollera alla egenskaper hos fotoniska qubits, ett genombrott som kan påverka kvantinformationsfälten, kommunikation, avkänning och avbildning, samt energi- och fartskörd. Resultaten av deras studie släpptes i går i tidskriften Fysiska granskningsbrev , publicerad av American Physical Society.

"Människor har studerat klassiska metasytor under lång tid, " säger Diego Dalvit, som arbetar i gruppen för kondenserad materia och komplexa system på Laboratoriets teoretiska avdelning. "Men vi kom på den här nya idén, som var att modulera i tid och rymd de optiska egenskaperna hos en kvantmetayta som tillåter oss att manipulera, på begäran, alla frihetsgrader för en enda foton, som är den mest elementära enheten av ljus."

Metasytor är ultratunna strukturer som kan manipulera ljus på sätt som vanligtvis inte syns i naturen. I detta fall, teamet utvecklade en metayta som såg ut som en rad roterade kors, som de sedan kan manipulera med lasrar eller elektriska pulser. De föreslog sedan att skjuta en enda foton genom metaytan, där fotonen delas i en superposition av många färger, stigar, och snurrande tillstånd som alla är sammanflätade, genererar så kallad kvantentanglement – ​​vilket betyder att den enda fotonen kan ärva alla dessa olika egenskaper på en gång.

"När metaytan moduleras med laser eller elektriska pulser, man kan styra frekvensen för den bryta enstaka fotonen, ändra dess bana, riktningen för dess elektriska fält, såväl som dess twist, " säger Abul Azad från Center for Integrated Nanotechnologies vid laboratoriets materialfysik- och applikationsavdelning.

Genom att manipulera dessa egenskaper, denna teknik kan användas för att koda information i fotoner som färdas inom ett kvantnätverk, allt från banker, kvantdatorer, och mellan jorden och satelliter. Att koda fotoner är särskilt önskvärt inom kryptografi eftersom "avlyssnare" inte kan se en foton utan att ändra dess grundläggande fysik, vilket om det görs då skulle varna avsändaren och mottagaren om att informationen har äventyrats.

Forskarna arbetar också med hur man drar fotoner från ett vakuum genom att modulera kvantmetaytan.

"Kvantvakuumet är inte tomt utan fullt av flyktiga virtuella fotoner. Med den modulerade kvantmetaytan kan man effektivt extrahera och omvandla virtuella fotoner till verkliga fotonpar, säger Wilton Kort-Kamp, som arbetar på den teoretiska avdelningen på labbets grupp för kondenserad materia och komplexa system.

Att utnyttja fotoner som finns i vakuumet och skjuta dem i en riktning bör skapa framdrivning i motsatt riktning. Liknande, omrörning av vakuumet bör skapa rotationsrörelse från de vridna fotonerna. Strukturerat kvantljus kan sedan en dag användas för att generera mekanisk dragkraft, använder bara små mängder energi för att driva metaytan.