Dos equipos de científicos del Technion-Israel Institute of Technology han colaborado para realizar una investigación pionera que conduzca al desarrollo de un campo científico nuevo e innovador:los metamateriales cuánticos. Los hallazgos se presentan en un nuevo artículo conjunto publicado en la revista. Ciencias .

El estudio fue realizado conjuntamente por el distinguido profesor Mordechai Segev, del Departamento de Física de Technion y del Instituto de Estado Sólido y su equipo Tomer Stav y Dikla Oren, en colaboración con el Prof.Erez Hasman de la Facultad de Ingeniería Mecánica del Technion y su equipo Arkady Faerman, Elhanan Maguid, y Dr. Vladimir Kleiner. Ambos grupos también están afiliados al Russell Berrie Nanotechnology Institute (RBNI).

Los investigadores han demostrado por primera vez que es posible aplicar metamateriales al campo de la información cuántica y la computación. allanando así el camino para numerosas aplicaciones prácticas que incluyen, entre otros, el desarrollo de cifrados irrompibles, además de abrir la puerta a nuevas posibilidades para los sistemas de información cuántica en un chip.

Los metamateriales son materiales fabricados artificialmente, compuesto por numerosas estructuras artificiales a nanoescala diseñadas para responder a la luz de diferentes formas. Las metauperficies son la versión bidimensional de los metamateriales:superficies extremadamente delgadas compuestas por numerosas nanoantenas ópticas de sublongitud de onda, cada uno diseñado para cumplir una función específica en la interacción con la luz.

Mientras que hasta la fecha, La experimentación con metamateriales se ha limitado ampliamente a manipulaciones que utilizan luz clásica, Los investigadores del Technion han demostrado por primera vez que es experimentalmente factible utilizar metamateriales como bloques de construcción para la óptica cuántica y la información cuántica. Más específicamente, Los investigadores han demostrado el uso de metamateriales para generar y manipular el entrelazamiento, que es la característica más crucial de cualquier esquema de información cuántica.

"Lo que hicimos en este experimento fue llevar el campo de los metamateriales al ámbito de la información cuántica, "dice Dist. Prof. Moti Segev, uno de los fundadores de Helen Diller Quantum Science, Centro de Materia e Ingeniería del Technion. "Con la tecnología actual, se pueden diseñar y fabricar materiales con propiedades electromagnéticas que son casi arbitrarias. Por ejemplo, uno puede diseñar y fabricar una capa de invisibilidad que puede ocultar pequeñas cosas del radar, o se puede crear un medio donde la luz se doble hacia atrás. Pero hasta ahora todo esto se ha hecho con luz clásica. Lo que mostramos aquí es cómo aprovechar las magníficas capacidades de los materiales nano-diseñados artificiales para generar y controlar la luz cuántica ".

"El componente clave aquí es una metasuperficie dieléctrica, "dice el profesor Erez Hasman, "que actúa de forma diferente a la luz polarizada para diestros y zurdos, imponiéndoles frentes de fase opuestos que parecen tornillos o vórtices, uno en el sentido de las agujas del reloj y otro en el sentido contrario a las agujas del reloj. La metasuperficie tenía que ser nanofabricada con materiales transparentes, de lo contrario, si hubiéramos incluido metales, como en la mayoría de los experimentos con metamateriales, las propiedades cuánticas se destruirían ".

"Este proyecto comenzó en la mente de dos estudiantes talentosos:Tomer Stav y Arkady Faerman, "dicen los profesores Segev y Hasman, "que vino a nosotros con una idea innovadora. El proyecto conduce a muchas direcciones nuevas que plantean preguntas fundamentales, así como nuevas posibilidades de aplicaciones, por ejemplo, haciendo sistemas de información cuántica en un chip y controlando las propiedades cuánticas en el diseño ".

En su investigación, Los científicos llevaron a cabo dos conjuntos de experimentos para generar un entrelazamiento entre el giro y el momento angular orbital de los fotones. Los fotones son las partículas elementales que componen la luz:tienen masa cero, viajar a la velocidad de la luz, y normalmente no interactúan entre sí.

En los experimentos, los investigadores primero hicieron brillar un rayo láser a través de un cristal no lineal para crear pares de fotones individuales, cada uno caracterizado por momento orbital cero y cada uno con polarización lineal. Un fotón en polarización lineal significa que es una superposición de polarización circular para diestros y zurdos, que corresponden a espín positivo y negativo.

En el primer experimento, los científicos procedieron a dividir los pares de fotones, dirigiendo uno a través de una metasuperficie fabricada única y el otro a un detector para señalar la llegada del otro fotón. Luego midieron el fotón único que pasó a través de la metasuperficie para encontrar que había adquirido un momento angular orbital (OAM) y que el OAM se había enredado con el giro.

En el segundo experimento, los pares de fotones individuales pasaron a través de la metasuperficie y se midieron usando dos detectores para mostrar que se habían entrelazado:el giro de un fotón se había correlacionado con el momento angular orbital del otro fotón, y viceversa.

El entrelazamiento básicamente significa que las acciones realizadas en un fotón afectan simultáneamente al otro, incluso cuando se extienden a grandes distancias. En mecánica cuántica, Se cree que los fotones existen tanto en estados de espín positivos como negativos, pero una vez medido adopte un solo estado.

Quizás esto se explique mejor a través de una analogía simple:tome dos cajas cada una con dos bolas adentro:una roja y una azul. Si las cajas no están enredadas, puede meter la mano en la caja y sacar una bola roja o azul. Sin embargo, si las cajas se enredaran, entonces la bola dentro de la caja podría ser roja o azul, pero solo se determinará en el momento en que se observe la bola en una caja, determinando simultáneamente el color de la bola en el segundo cuadro también. Esta historia fue inicialmente relatada por el famoso premio Nobel Erwin Schroedinger, presentando el escenario de un gato en una caja, donde el gato está vivo y muerto hasta que se abre la caja.

Cuando llega a la metasuperficie, ocurre la interacción entre el espín (polarización circular) y el momento angular orbital. Sale de la metasuperficie en un estado entrelazado de un solo fotón; el espín positivo (representado en rojo por la amplitud del campo eléctrico) y el momento angular orbital en sentido antihorario (representado en rojo por el vórtice de fase) se entrelazan con el espín negativo (azul) y el momento angular orbital en sentido horario (azul). Crédito de animación:Ella Maru Studio

Durante más de un siglo, el Technion-Israel Institute of Technology ha sido pionero en la educación científica y tecnológica y ha generado un impacto que cambia el mundo. Orgullosamente una universidad global, El Technion ha aprovechado durante mucho tiempo las colaboraciones que cruzan los límites para avanzar en la investigación y las tecnologías de vanguardia. Ahora con presencia en tres países, el Technion preparará a la próxima generación de innovadores globales. Gente de Technion, las ideas y los inventos hacen contribuciones inconmensurables al mundo, innovando en campos que van desde la investigación del cáncer y la energía sostenible hasta la computación cuántica y la informática, hacer el bien en todo el mundo.