Illustration av en metayta som genererar par av fotoner (visas som sfärer). Fotonintrasslingen kan varieras genom att ändra pumpstrålen (visas i rött). Kredit:Andrei Komar och Matthew Parry.
Kvantnanofotonik är ett aktivt forskningsfält med nya tillämpningar som sträcker sig från kvantberäkning till bildbehandling och telekommunikation. Detta har motiverat forskare och ingenjörer att utveckla källor för intrasslade fotoner som kan integreras i fotoniska kretsar i nanoskala. Praktisk tillämpning av nanoskalaenheter kräver en hög generering av fotonpar, rumstemperaturdrift, och intrasslade fotoner som emitteras vid telekommunikationsvåglängder på ett riktat sätt.
Det vanligaste sättet att skapa intrasslade fotoner är genom en process som kallas Spontaneous Parametric Down Conversion (SPDC) som innebär att en enda foton delas upp i två intrasslade fotoner med lägre frekvenser, känd som signalen och tomgången. Konventionella metoder för SPDC förlitar sig på skrymmande enheter som är upp till flera centimeter långa och inte är optimala för integrering av fotoniska kretsar. Omvänt, på nanoskala, effektiviteten av SPDC-processen hindras av den lilla volymen av resonatorerna, och riktningsförmågan hos de emitterade fotonerna är utmanande att kontrollera.
Dielektriska metasytor erbjuder en lovande väg för att förbättra och skräddarsy SPDC-fotonemission. Hittills, dock, metasytor har använt Mie-resonanser med relativt låg kvalitetsfaktor och har därför ett brett emissionsspektrum, som begränsar fotonernas spektrala ljusstyrka. Ny forskning visar att utökade Bound States in the Continuum (BIC) resonanser gör det möjligt att utnyttja lägen i metaytan som har mycket höga kvalitetsfaktorer. Detta innebär i sin tur att fotonpargenereringen inuti resonatorerna förstärks med många storleksordningar och fotonernas våglängd kommer att ha en mycket smal bandbredd. Detta resulterar i en mycket hög spektral ljusstyrka, vilket är fördelaktigt för kvantnätstillämpningar.
Entangled foton-par generering av metaytan. (a) Eftersom metaytan saknar 90o rotationssymmetri och de två BIC:erna har motsatt spridning, den tvärgående fasmatchningen är en hyperbolisk paraboloid. (b) Vinkelfördelningen för fotonparen bestäms av det tvärgående fasanpassningsförhållandet, visas som en vit streckad linje. (c) Polarisationsintrasslingen kan ställas in från ingen (Schmidt nummer 1) till full (Schmidt nummer 2) genom att variera pumpens polarisation. Kredit:Parry et al., doi 10.1117/1.AP.3.5.055001.
Som rapporterat i Avancerad fotonik , ett internationellt team av forskare från Australian National University (Matthew Parry, Dragomir N. Neshev, och Andrey A. Sukhorukov), Politecnico di Milano (Andrea Mazzanti och Giuseppe Della Valle) och ITMO University of St. Petersburg (Alexander Poddubny) demonstrerade nyligen förbättrad generering av icke degenererade fotonpar i olinjära metasytor. I en serie omfattande simuleringar, de använde separata BIC:er vid något olika våglängder för signal- och tomgångsfotonerna i SPDC, vilket gjorde det möjligt för dem att förbättra ljusstyrkan hos intrasslade fotoner med fem storleksordningar jämfört med en omönstrad tunn film av olinjärt material. De tillskriver denna förbättring till stor del det nya fenomenet hyperbolisk transversell fasmatchning, vilket underlättar effektiv fotongenerering över ett brett spektrum av fotonmoment.
Inte bara möjliggör deras föreslagna metod generering av fotonpar som är kvantintrasslade, men genom att helt enkelt ändra pumplaserns linjära polarisation är det möjligt att ställa in fotonernas polarisationsintrassling från full till ingen. Detta är ett enkelt implementerat sätt att kontrollera förvecklingen, så att den uppfyller kraven för framtida ansökningar. Den föreslagna plattformen är också mycket konfigurerbar med avseende på både våglängden för signalen och tomgångsfotonerna samt de använda BIC:erna, vilket öppnar potentialen för att konstruera i vilken riktning fotoner emitteras.
Forskarna, vars arbete stöds av Australian Research Council och av Europeiska kommissionens Horizon 2020-program, säga att deras framsteg är ett viktigt steg mot miniatyriserade kvantenheter för vardagliga applikationer.
