Los investigadores han demostrado por primera vez una fuente de luz cuántica basada en una matriz de metalentes. El enfoque ofrece una plataforma prometedora tanto para el entrelazamiento de fotones de alta dimensión como para el control coherente de múltiples fotones, haciéndolo adecuado para el avance de las tecnologías cuánticas para una comunicación segura, informática, y otras aplicaciones.

El trabajo aprovecha la capacidad de controlar la luz con pequeños, nanoestructuras / microestructuras dispuestas con precisión modeladas sobre una superficie óptica. El resultado se denomina metasuperficie. Din Ping Tsai de la Universidad Politécnica de Hong Kong presentará la investigación en el Congreso virtual de fotónica avanzada de OSA que se celebrará del 26 al 30 de julio. La charla de Tsai está programada para el 27 de julio de 19:00 a 19:15 EDT (UTC a 04:00).

"Nuestros resultados indican que una metasuperficie puede proporcionar una ruta para la generación y control de estados cuánticos complejos, no solo aumentando la dimensionalidad del sistema cuántico, sino también permitiendo el control coherente de múltiples fotones, proporcionando así una plataforma compacta y práctica para el desarrollo de procesamiento avanzado de información fotónica cuántica en chip, "dijo Tsai.

Las tecnologías cuánticas pueden codificar información utilizando fotones, la unidad básica de luz. Mientras que una computadora clásica codifica información usando solo dos estados, 0 y 1, Los dispositivos cuánticos codifican información en las relaciones entre fotones. Un solo par de fotones entrelazados puede contener múltiples estados cuánticos, permitiéndoles contener mucha más información que los sistemas digitales clásicos.

En el nuevo trabajo Tsai y sus colegas crearon una fuente de luz cuántica que genera 100 pares de fotones entrelazados que se acoplan y superponen entre sí. Al generar pares de fotones entrelazados simultáneamente, el enfoque se puede utilizar para codificar grandes cantidades de información en un chip diminuto.

Lograr esto, los investigadores combinaron una matriz de metalentes, un tipo de metasuperficie que usa antenas diminutas para diseñar con precisión el frente de onda de la luz, con un cristal no lineal (BaB ₂ O ₄ ) para convertir un fotón de mayor energía en un par de fotones entrelazados de menor energía mediante conversión descendente paramétrica espontánea. La meta-lente, hecho con un proceso de nanofabricación avanzado, consta de una serie de nanopilares de nitruro de galio (GaN) de 800 nm de altura. La luz se bombea desde un láser a través de la matriz de metalentes de 10x10 y luego a través del cristal no lineal, generando 100 pares de fotones entrelazados.

Debido a que el entrelazamiento cuántico entre fotones depende del diseño de la metasuperficie, los investigadores dicen que este enfoque ofrece más flexibilidad en la manipulación de la luz que las fuentes cuánticas existentes, abriendo nuevas vías para las tecnologías ópticas cuánticas.

"Nuestra fuente de fotones cuánticos basada en matrices de metalentes es compacta, estable, y controlable, indicando una nueva plataforma para dispositivos cuánticos integrados, "dijo Tsai.

Los investigadores verificaron los estados cuánticos resultantes en dos, tres y cuatro dimensiones con fidelidades del 98,4%, 96,6% y 95,0%, respectivamente. También confirmaron que la fuente tiene una buena indistinguibilidad de fotones, una característica importante para las fuentes cuánticas de fotones múltiples, así como las dependencias de energía adecuadas.

Esta nueva y emocionante investigación puede ayudar a la ciencia de la información cuántica a realizar muchas aplicaciones en nuestra vida diaria en el futuro. como las comunicaciones móviles seguras con capacidad cuántica, acceso al correo electrónico, transacciones en línea, pagos sin efectivo, Cajeros automáticos y banca electrónica, así como tareas informáticas de alto nivel como el aprendizaje automático, inteligencia artificial, y redes neuronales. El equipo de investigación del Prof. Tsai está dedicado a continuar su trabajo en aplicaciones cuánticas basadas en metaóptica.