Duas equipes de cientistas do Technion-Israel Institute of Technology colaboraram para conduzir pesquisas inovadoras que levaram ao desenvolvimento de um campo científico novo e inovador:os metamateriais quânticos. Os resultados são apresentados em um novo artigo conjunto publicado na revista. Ciência .

O estudo foi conduzido em conjunto pelo Distinto Professor Mordechai Segev, do Departamento de Física e do Solid State Institute de Technion e sua equipe Tomer Stav e Dikla Oren, em colaboração com o Prof. Erez Hasman da Faculdade de Engenharia Mecânica do Technion e sua equipe Arkady Faerman, Elhanan Maguid, e Dr. Vladimir Kleiner. Ambos os grupos também são afiliados ao Russell Berrie Nanotechnology Institute (RBNI).

Os pesquisadores demonstraram pela primeira vez que é possível aplicar metamateriais ao campo da informação quântica e da computação, abrindo assim o caminho para inúmeras aplicações práticas, incluindo, entre outros, o desenvolvimento de criptografias inquebráveis, além de abrir a porta para novas possibilidades para sistemas de informação quântica em um chip.

Metamateriais são materiais fabricados artificialmente, feito de várias estruturas nanoescala artificiais projetadas para responder à luz de maneiras diferentes. Metasuperfícies são a versão bidimensional de metamateriais:superfícies extremamente finas compostas de numerosas nanoantenas ópticas de comprimento de onda, cada um projetado para servir a uma função específica na interação com a luz.

Até hoje, a experimentação com metamateriais tem sido amplamente limitada a manipulações usando luz clássica, os pesquisadores do Technion demonstraram pela primeira vez que é experimentalmente viável o uso de metamateriais como blocos de construção para óptica quântica e informação quântica. Mais especificamente, os pesquisadores demonstraram o uso de metamateriais para gerar e manipular emaranhamento - que é a característica mais crucial de qualquer esquema de informação quântica.

"O que fizemos neste experimento foi trazer o campo dos metamateriais para o reino da informação quântica, "diz o Dist. Prof. Moti Segev, um dos fundadores da Helen Diller Quantum Science, Centro de Matéria e Engenharia do Technion. "Com a tecnologia de hoje, pode-se projetar e fabricar materiais com propriedades eletromagnéticas quase arbitrárias. Por exemplo, pode-se projetar e fabricar uma capa de invisibilidade que pode esconder pequenas coisas do radar, ou pode-se criar um meio em que a luz se dobre para trás. Mas até agora tudo isso foi feito com luz clássica. O que mostramos aqui é como aproveitar as excelentes habilidades de materiais nano-projetados artificiais para gerar e controlar a luz quântica. "

"O principal componente aqui é uma metassuperfície dielétrica, "diz o Prof. Erez Hasman, "que atua de maneira diferente da luz polarizada para canhotos e destros, impondo-lhes frentes de fase opostas que se parecem com parafusos ou vórtices, um no sentido horário e um no sentido anti-horário. A metassuperfície teve que ser nanofabricada de materiais transparentes, caso contrário - se tivéssemos incluído metais, como na maioria dos experimentos com metamateriais - as propriedades quânticas seriam destruídas. "

"Este projeto começou na mente de dois alunos talentosos - Tomer Stav e Arkady Faerman, "dizem os Profs. Segev e Hasman, "que veio até nós com uma ideia inovadora. O projeto leva a muitas novas direções que levantam questões fundamentais, bem como novas possibilidades de aplicações, por exemplo, fazer sistemas de informação quântica em um chip e controlar as propriedades quânticas no projeto. "

Em sua pesquisa, os cientistas conduziram dois conjuntos de experimentos para gerar o emaranhamento entre o spin e o momento angular orbital dos fótons. Os fótons são as partículas elementares que compõem a luz:eles têm massa zero, viajar na velocidade da luz, e normalmente não interagem entre si.

Nos experimentos, os pesquisadores primeiro brilharam um feixe de laser através de um cristal não linear para criar pares de fótons únicos, cada um caracterizado por momento orbital zero e cada um com polarização linear. Um fóton em polarização linear significa que é uma superposição de polarização circular destra e canhota, que correspondem a spin positivo e negativo.

No primeiro experimento, os cientistas começaram a dividir os pares de fótons - direcionando um através de uma metassuperfície fabricada única e o outro para um detector para sinalizar a chegada do outro fóton. Eles então mediram o único fóton que passou pela metassuperfície para descobrir que havia adquirido o momento angular orbital (OAM) e que o OAM ficou emaranhado com o spin.

No segundo experimento, os pares de fótons únicos foram passados ​​pela metassuperfície e medidos usando dois detectores para mostrar que eles haviam se tornado emaranhados:o spin de um fóton se correlacionou com o momento angular orbital do outro fóton, e vice versa.

Emaranhamento significa basicamente que as ações realizadas em um fóton afetam simultaneamente o outro, mesmo quando espalhados por grandes distâncias. Na mecânica quântica, acredita-se que os fótons existam em estados de spin positivo e negativo, mas, uma vez medido, adote apenas um estado.

Isso talvez seja melhor explicado por meio de uma analogia simples:pegue duas caixas, cada uma com duas bolas dentro - uma vermelha e uma azul. Se as caixas não estiverem emaranhadas, você pode alcançar dentro da caixa e retirar uma bola vermelha ou uma bola azul. Contudo, se as caixas ficarem emaranhadas, então a bola dentro da caixa pode ser vermelha ou azul, mas só será determinada no momento em que a bola em uma caixa for observada, determinar simultaneamente a cor da bola na segunda caixa também. Esta história foi inicialmente relatada pelo famoso Prêmio Nobel Erwin Schroedinger, apresentando o cenário de um gato em uma caixa, onde o gato está vivo e morto até que a caixa seja aberta.

Quando atinge a metassuperfície, ocorre a interação entre o spin (polarização circular) e o momento angular orbital. Ele sai da metassuperfície em um único estado emaranhado de fóton; o spin positivo (representado em vermelho pela amplitude do campo elétrico) e o momento angular orbital anti-horário (representado em vermelho pelo vórtice de fase) está emaranhado com o spin negativo (azul) e o momento angular orbital no sentido horário (azul). Crédito da animação:Ella Maru Studio

Por mais de um século, o Instituto de Tecnologia Technion-Israel foi pioneiro em educação em ciência e tecnologia e gerou impacto de mudança mundial. Orgulhosamente uma universidade global, o Technion há muito tem alavancado colaborações que cruzam fronteiras para avançar em pesquisas e tecnologias inovadoras. Agora com presença em três países, o Technion irá preparar a próxima geração de inovadores globais. Pessoal Technion, ideias e invenções fazem contribuições incomensuráveis ​​para o mundo, inovando em campos que vão da pesquisa do câncer e energia sustentável à computação quântica e ciência da computação, fazer o bem em todo o mundo.