Forskare har för första gången visat en kvantljuskälla baserad på en meta-lens-array. Tillvägagångssättet erbjuder en lovande plattform för både högdimensionell fotoninvikling och koherent kontroll av flera fotoner, gör den lämplig för avancerad kvantteknologi för säker kommunikation, datoranvändning, och andra applikationer.

Arbetet drar fördel av förmågan att styra ljus med små, exakt arrangerade nano/mikrostrukturer mönstrade på en optisk yta. Resultatet kallas en metasyta. Din Ping Tsai från Hong Kong Polytechnic University kommer att presentera forskningen vid den virtuella OSA Advanced Photonics Congress som kommer att hållas 26-30 juli. Tsai -samtalet är planerat till den 27 juli mellan 19:00—19:15 EDT (UTC — 04:00).

"Våra resultat indikerar att en metayta kan tillhandahålla en väg för generering och kontroll av komplexa kvanttillstånd, inte bara öka kvantsystemets dimension, utan också möjliggöra koherent kontroll av flera fotoner, vilket ger en kompakt och praktisk plattform för utveckling av avancerad on-chip kvantfotonisk informationsbehandling, sa Tsai.

Kvantteknik kan koda information med hjälp av fotoner, grundenheten för ljus. Medan en klassisk dator kodar information med endast två tillstånd, 0 och 1, kvantanordningar kodar information i relationerna mellan fotoner. Ett enda par intrasslade fotoner kan innehålla flera kvanttillstånd, så att de kan hålla mycket mer information än klassiska digitala system.

I det nya arbetet, Tsai och kollegor skapade en kvantljuskälla som genererar 100 par intrasslade fotoner som är kopplade och överlagrade på varandra. Genom att generera intrasslade fotonpar samtidigt, tillvägagångssättet kan användas för att koda stora mängder information i ett litet chip.

För att uppnå detta, forskarna kombinerade en meta-lens-array, en typ av metaytor som använder små antenner för att exakt förgylla ljusets vågfront, med en olinjär kristall (BaB ₂ O ₄ ) för att omvandla en foton med högre energi till ett par intrasslade fotoner med lägre energi med hjälp av spontan parametrisk nedkonvertering. Metallinsen, tillverkad med en avancerad nanofabrikationsprocess, består av en serie galliumnitrid (GaN) nano-pelare 800 nm höga. Ljus pumpas från en laser genom 10x10 meta-lens array och sedan genom den olinjära kristallen, genererar 100 intrasslade fotonpar.

Eftersom kvantinträngningen mellan fotoner är beroende av metasytans design, forskarna säger att detta tillvägagångssätt erbjuder mer flexibilitet vid manipulation av ljus än befintliga kvantkällor, öppna nya vägar för kvantoptisk teknik.

"Vår metallens-array-baserade kvantfotonkälla är kompakt, stabil, och kontrollerbar, indikerar en ny plattform för integrerade kvantanordningar, sa Tsai.

Forskarna verifierade de resulterande kvanttillstånden i två, tre och fyra dimensioner med 98,4%trohet, 96,6% och 95,0%, respektive. De bekräftade också att källan har god fotonavskiljbarhet, en viktig egenskap för kvantkällor med flera foton, samt lämpliga maktberoenden.

Denna spännande nya forskning kan hjälpa kvantinformationsvetenskapen att förverkliga många tillämpningar i vårt dagliga liv i framtiden, såsom kvantaktiverad säker mobilkommunikation, e -poståtkomst, onlinetransaktioner, kontantlösa betalningar, Bankomater och e-bank, liksom datorer på hög nivå som maskininlärning, artificiell intelligens, och neurala nätverk. Forskargruppen för Prof. Tsai är dedikerad till att fortsätta sitt arbete med kvantapplikationer baserade på metaoptik.