Forskare från Max Planck Institute for the Science of Light och Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, i samarbete med Sandia National Laboratories, har framgångsrikt skapat fotonpar vid flera olika frekvenser med hjälp av resonanta metasytor.

En foton är kvantumet (den minsta mängden involverad i en interaktion) av någon form av elektromagnetisk strålning, såsom ljus. Fotoner är väsentliga för ett antal aktuella forskningsfält och teknologier, som quantum state engineering, som i sin tur representerar hörnstenen i all kvantfotonisk teknologi. Med hjälp av kvantfotonik arbetar forskare och ingenjörer för att skapa ny teknik som nya former av kryptering för mycket säkra kommunikationskanaler och nya typer av superdatorer.

Ett av nyckelkraven för kvanttillståndsteknik är skapandet av fotonpar. Detta har traditionellt uppnåtts genom användning av en av de två icke-linjära effekterna, spontan parametrisk nedkonvertering (SPDC) eller spontan fyrvågsblandning (SFWM), i optiska bulkelement. De olinjära effekterna gör att en eller två pumpfotoner spontant sönderfaller till ett fotonpar.

Dessa effekter kräver dock strikt bevarande av momentum för de inblandade fotonerna. Alla material som fotonerna måste färdas igenom har dispersionsegenskaper, vilket förhindrar bevarande av rörelsemängd. Det finns tekniker som fortfarande uppnår det nödvändiga bevarandet, men de begränsar kraftigt mångsidigheten i de tillstånd där fotonparen kan produceras. Som ett resultat, även om traditionella optiska element som olinjära kristaller och vågledare framgångsrikt har producerat många fotoniska kvanttillstånd, är deras användning begränsad och svårhanterlig. Så nyligen har forskare tittat mot så kallade optiska metasytor.

Producerar fotonpar med metasytor

Metasytor är ultratunna plana optiska enheter som består av arrayer av nanoresonatorer. Deras subvåglängdstjocklek (några hundra nanometer) gör dem effektivt tvådimensionella. Det gör dem mycket lättare att hantera än traditionella skrymmande optiska enheter. Ännu viktigare, på grund av den mindre tjockleken, är fotonernas rörelsemängdsbevarande avslappnad eftersom fotonerna måste färdas genom mycket mindre material än med traditionella optiska enheter:enligt osäkerhetsprincipen leder inneslutning i rymden till odefinierat momentum. Detta gör att flera olinjära och kvantprocesser kan ske med jämförbar effektivitet och öppnar dörren för användningen av många nya material som inte skulle fungera i traditionella optiska element.

Av denna anledning, och även på grund av att de är kompakta och mer praktiska att hantera än skrymmande optiska element, kommer metasytor i fokus som källor till fotonpar för kvantexperiment. Dessutom kan metasytor samtidigt transformera fotoner i flera frihetsgrader, såsom polarisation, frekvens och väg.

Tomás Santiago-Cruz och Maria Chekhova från Max Planck Institute for the Science of Light och Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg i samarbete med forskargruppen Igal Brener vid Sandia National Laboratories i Albuquerque, New Mexico, har nu tagit ett nytt steg för att uppnå just det. I en artikel som nyligen publicerats i Science journal, visade Chekhova och hennes kollegor för första gången hur metasytor producerar par av fotoner med två olika våglängder.

Dessutom kan fotoner med en viss våglängd paras ihop med fotoner vid två eller flera olika våglängder samtidigt. På så sätt kan man skapa flera länkar mellan fotoner av olika färg. Dessutom ökar metaytans resonans hastigheten för fotonemission med flera storleksordningar jämfört med enhetliga källor med samma tjocklek. Tomás Santiago-Cruz tror att metasytor kommer att spela en nyckelroll i framtida kvantforskning:"Metasytor leder till ett paradigmskifte inom kvantoptik, som kombinerar ultrasmå källor av kvantljus med långtgående möjligheter för kvanttillståndsteknik."

I framtiden kan dessa funktioner användas för att bygga mycket stora komplicerade kvanttillstånd, som behövs för kvantberäkning. Dessutom möjliggör den smala profilen hos metasytor och deras multifunktionella funktion utveckling av mer avancerade kompakta enheter, som kombinerar generering, transformation och detektering av kvanttillstånd. Maria Chekhova är exalterad över vägen som deras forskning har tagit:"Källorna till våra fotoner blir mindre och mindre samtidigt som deras möjligheter bara blir bredare och bredare." + Utforska vidare

Genererar intrasslade fotoner med olinjära metasytor