Una ilustración artística que representa la metasuperficie desarrollada por los investigadores. Crédito:Rivka Bekenstein.
Las metauperficies son materiales artificiales diseñados a nanoescala, que puede controlar la dispersión de la luz con una precisión excepcionalmente alta. Durante la última década más o menos, Estos materiales se han utilizado para crear una variedad de herramientas tecnológicas que van desde sensores hasta lentes y técnicas de imagen.
Un equipo de investigación dirigido por Mikhail Lukin en la Universidad de Harvard ha propuesto recientemente un nuevo tipo de metasuperficie que puede controlar las propiedades espacio-temporales y cuánticas de la luz transmitida y reflejada. En un artículo publicado en Física de la naturaleza , El equipo demostró que la realización de una metasuperficie cuántica es posible y podría lograrse entrelazando la respuesta macroscópica de las matrices de átomos delgados a la luz.
"Las metasuperficies cuánticas son un tipo completamente nuevo de materiales diseñados átomo por átomo, que permiten aplicaciones como la computación cuántica con fotones, "Rivka Bekenstein, el autor principal del artículo reciente, dijo Phys.org. "Combinamos una técnica de vanguardia para manipular el estado de muchos átomos mediante interacciones de largo alcance (es decir, Interacciones de Rydberg) con un descubrimiento reciente de cómo una sola hoja de átomos puede reflejar la luz. Identificamos una arquitectura que se puede realizar en el laboratorio, en el que una sola capa de átomos puede actuar como un espejo cuántico conmutable ".
Como parte de su estudio, Bekenstein y sus colegas revisaron diferentes metasuperficies cuánticas que se pueden controlar para que tengan diferentes propiedades de dispersión de la luz. Una de las fuentes más destacadas para el desarrollo de tecnologías cuánticas son los estados entrelazados, que son estados únicos que solo existen para entidades cuánticas. El metamaterial cuántico propuesto por los investigadores permite la producción de estados entrelazados específicos de muchas partículas de luz (es decir, fotones), que son particularmente valiosos para aplicaciones de procesamiento de información cuántica.
En determinadas condiciones ambientales, los átomos se pueden manipular para que se vuelvan transparentes utilizando campos eléctricos externos. Estudios recientes también han demostrado que una sola hoja de átomos puede reflejar la luz, asemejándose a un espejo normal.
Empleando interacciones de Rydberg que ocurren naturalmente en sistemas atómicos, Bekenstein y sus colegas pudieron identificar un esquema en el que una sola capa de átomos refleja y transmite luz simultáneamente en una superposición cuántica. En otras palabras, la metasuperficie cuántica resultante podría volverse transparente y reflejar la luz, como un espejo.
Una figura esquemática de la dispersión de la metasuperficie cuántica en un estado de superposición. Crédito:Bekenstein et al.
"En mecánica cuántica, las entidades pueden coexistir en diferentes estados; esto se denomina estado de superposición, ", Dijo Bekenstein." Nuestra metasuperficie cuántica es un nuevo tipo de material que puede hacer que la luz coexista en dos direcciones diferentes. Esto se hace manipulando el estado de los átomos y luego iluminando un láser débil para dispersarlos ".
La estrategia de diseño empleada por Bekenstein y sus colegas induce un entrelazamiento cuántico entre diferentes metasuperficies y luz, así como entre partículas de luz individuales. Notablemente, la arquitectura que propusieron también podría manipularse para tener cantidades variables de fotones en estados entrelazados, que es una capacidad crucial para la mayoría de las aplicaciones cuánticas, incluida la computación cuántica.
Mediante una serie de cálculos cuantitativos, los investigadores analizaron cómo su metasuperficie permite operaciones cuánticas entre átomos y fotones, permitiendo la generación de estados fotónicos altamente entrelazados que son ideales para aplicaciones de procesamiento de información cuántica.
"Una ventaja clave de nuestra arquitectura es que solo se debe preparar un átomo en un estado de superposición cuántica en el laboratorio, ", Dijo Bekenstein." Cientos de átomos construyen la metasuperficie cuántica, pero solo uno tiene que ser manipulado en el nivel mecánico cuántico, que hacen que esta propuesta sea práctica. Esto está habilitado debido a la interacción de largo alcance que utilizamos en el esquema, que existe naturalmente para los átomos en niveles de energía específicos ".
Notablemente, el estudio reciente de Bekenstein y sus colegas introduce una técnica para obtener control cuántico sobre la respuesta de los materiales macroscópicos a la luz. Esta técnica podría allanar el camino para el desarrollo de un tipo completamente nuevo de materiales cuánticos, al mismo tiempo que potencialmente revoluciona la comprensión actual de los materiales ópticos cuánticos y su respuesta a la luz.
"Actualmente estamos explorando sistemas experimentales adicionales que puedan realizar las metasuperficies cuánticas que propusimos, ", Dijo Bekenstein." También estamos interesados en revelar la respuesta no lineal de estas metasuperficies cuánticas a la luz, que ocurren para haces de luz de mayor intensidad. Finalmente, estamos investigando aplicaciones prácticas específicas de las metasuperficies cuánticas propuestas para el procesamiento de información cuántica ".
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