Ilustración de una metasuperficie que genera pares de fotones (mostrados como esferas). El entrelazamiento de fotones se puede variar cambiando el haz de bombeo (mostrado en rojo). Crédito:Andrei Komar y Matthew Parry.
La nanofotónica cuántica es un campo de investigación activo con aplicaciones emergentes que van desde la computación cuántica hasta las imágenes y las telecomunicaciones. Esto ha motivado a científicos e ingenieros a desarrollar fuentes de fotones entrelazados que puedan integrarse en circuitos fotónicos a nanoescala. La aplicación práctica de dispositivos a nanoescala requiere una alta tasa de generación de pares de fotones, funcionamiento a temperatura ambiente, y fotones entrelazados emitidos en longitudes de onda de telecomunicaciones de manera direccional.
La forma más común de crear fotones entrelazados es mediante un proceso conocido como conversión descendente paramétrica espontánea (SPDC) que implica que un solo fotón se divide en dos fotones entrelazados de frecuencias más bajas, conocido como la señal y el ralentí. Los enfoques convencionales para SPDC se basan en dispositivos voluminosos que tienen hasta varios centímetros de longitud y no son óptimos para la integración de circuitos fotónicos. En cambio, a nanoescala, la eficiencia del proceso SPDC se ve obstaculizada por el pequeño volumen de los resonadores, y la direccionalidad de los fotones emitidos es difícil de controlar.
Las metasuperficies dieléctricas ofrecen una ruta prometedora para mejorar y adaptar la emisión de fotones SPDC. Hasta la fecha, sin embargo, Las metasuperficies han utilizado resonancias Mie de factor de calidad relativamente bajo y tienen un amplio espectro de emisión en consecuencia, que restringe el brillo espectral de los fotones. Una nueva investigación revela que las resonancias extendidas de los estados ligados en el continuo (BIC) permiten aprovechar los modos en la metasuperficie que tienen factores de calidad muy altos. Esto, a su vez, significa que la generación de pares de fotones dentro de los resonadores aumenta en muchos órdenes de magnitud y la longitud de onda de los fotones tendrá un ancho de banda muy estrecho. Esto da como resultado un brillo espectral muy alto, lo cual es beneficioso para las aplicaciones de redes cuánticas.
Generación de pares de fotones entrelazados por la metasuperficie. (a) Debido a que la metasuperficie carece de simetría de rotación de 90o y los dos BIC tienen dispersión opuesta, el emparejamiento de fase transversal es un paraboloide hiperbólico. (b) La distribución angular de los pares de fotones está determinada por la condición de adaptación de fase transversal, se muestra como una línea punteada blanca. (c) El entrelazamiento de polarización se puede ajustar de ninguno (número de Schmidt de 1) a completo (número de Schmidt de 2) variando la polarización de la bomba. Crédito:Parry et al., doi 10.1117 / 1.AP.3.5.055001.
Como se informó en Fotónica avanzada , un equipo internacional de investigadores de la Universidad Nacional de Australia (Matthew Parry, Dragomir N. Neshev, y Andrey A. Sukhorukov), Politecnico di Milano (Andrea Mazzanti y Giuseppe Della Valle) y la Universidad ITMO de San Petersburgo (Alexander Poddubny) demostraron recientemente una generación mejorada de pares de fotones no degenerados en metasuperficies no lineales. En una serie de simulaciones completas, utilizaron BIC separados en longitudes de onda ligeramente diferentes para la señal y los fotones inactivos en SPDC, lo que les permitió mejorar el brillo de los fotones entrelazados en cinco órdenes de magnitud sobre el de una película delgada sin patrón de material no lineal. Atribuyen esta mejora en gran parte al fenómeno novedoso de la coincidencia de fase transversal hiperbólica, lo que facilita la generación eficiente de fotones en una amplia gama de momentos de fotones.
El método propuesto no solo permite la generación de pares de fotones que están entrelazados cuánticamente, pero simplemente cambiando la polarización lineal del láser de bombeo es posible ajustar el entrelazamiento de polarización de los fotones de completo a ninguno. Esta es una forma fácil de implementar para controlar el enredo, para que cumpla con los requisitos de posibles aplicaciones. La plataforma propuesta también es altamente configurable con respecto a la longitud de onda de la señal y los fotones inactivos, así como a los BIC utilizados. lo que abre el potencial para diseñar la dirección en la que se emiten los fotones.
Los investigadores, cuyo trabajo cuenta con el apoyo del Consejo Australiano de Investigación y del programa Horizonte 2020 de la Comisión Europea, dicen que su avance es un paso importante hacia los dispositivos cuánticos miniaturizados para aplicaciones cotidianas.