Metasurfaces são materiais artificiais projetados em nanoescala, que pode controlar a dispersão da luz com uma precisão excepcionalmente alta. Ao longo da última década ou assim, esses materiais têm sido usados ​​para criar uma variedade de ferramentas tecnológicas que variam de sensores a lentes e técnicas de imagem.

Uma equipe de pesquisa liderada por Mikhail Lukin na Universidade de Harvard propôs recentemente um novo tipo de metassuperfície que pode controlar as propriedades espaço-temporais e quânticas da luz transmitida e refletida. Em um artigo publicado em Física da Natureza , a equipe mostrou que a realização de uma metassuperfície quântica é possível e poderia ser alcançada entrelaçando a resposta macroscópica de matrizes de átomos finos à luz.

"Metassuperfícies quânticas são um tipo inteiramente novo de materiais projetados átomo por átomo, que permitem aplicações como computação quântica com fótons, "Rivka Bekenstein, o autor principal do artigo recente, disse a Phys.org. "Combinamos uma técnica de ponta para manipular o estado de muitos átomos por interações de longo alcance (ou seja, Interações de Rydberg) com uma descoberta recente de como uma única folha de átomos pode refletir a luz. Identificamos uma arquitetura que pode ser realizada em laboratório, em que uma única camada de átomos pode atuar como um espelho quântico comutável. "

Como parte de seu estudo, Bekenstein e seus colegas revisaram diferentes metassuperfícies quânticas que podem ser controladas para ter diferentes propriedades de dispersão de luz. Uma das fontes mais importantes para o desenvolvimento de tecnologias quânticas são os estados emaranhados, que são estados únicos que existem apenas para entidades quânticas. O metamaterial quântico proposto pelos pesquisadores permite a produção de estados específicos emaranhados de muitas partículas de luz (ou seja, fótons), que são particularmente valiosos para aplicações de processamento de informações quânticas.

Em certas condições ambientais, átomos podem ser manipulados para se tornarem transparentes usando campos elétricos externos. Estudos recentes também demonstraram que uma única folha de átomos pode refletir luz, assemelhando-se a um espelho normal.

Ao empregar as interações de Rydberg que ocorrem naturalmente em sistemas atômicos, Bekenstein e seus colegas foram capazes de identificar um esquema no qual uma única camada de átomos simultaneamente reflete e transmite luz em uma superposição quântica. Em outras palavras, a metassuperfície quântica resultante pode se tornar transparente e refletir a luz, como um espelho.

"Na mecânica quântica, entidades podem coexistir em diferentes estados - isso é chamado de estado de superposição, "Bekenstein disse." Nossa metassuperfície quântica é um novo tipo de material que pode fazer a luz coexistir em duas direções diferentes. Isso é feito manipulando o estado dos átomos e, em seguida, lançando um laser fraco para espalhar a partir deles. "

A estratégia de design empregada por Bekenstein e seus colegas induz o emaranhamento quântico entre diferentes metassuperfícies e luz, bem como entre partículas de luz individuais. Notavelmente, a arquitetura que eles propuseram também poderia ser manipulada para ter quantidades variáveis ​​de fótons em estados emaranhados, que é uma capacidade crucial para a maioria das aplicações quânticas, incluindo computação quântica.

Por meio de uma série de cálculos quantitativos, os pesquisadores analisaram como sua metassuperfície permite operações quânticas entre átomos e fótons, permitindo a geração de estados fotônicos altamente emaranhados que são ideais para aplicações de processamento de informações quânticas.

"Uma das principais vantagens de nossa arquitetura é que apenas um átomo deve ser preparado em um estado de superposição quântica em laboratório, "Bekenstein disse." Centenas de átomos constroem a metassuperfície quântica, mas apenas um deve ser manipulado no nível da mecânica quântica, que tornam esta proposta prática. Isso é habilitado devido à interação de longo alcance que utilizamos no esquema, que existe naturalmente para átomos em níveis de energia específicos. "

Notavelmente, o estudo recente de Bekenstein e seus colegas apresenta uma técnica para obter controle quântico sobre a resposta de materiais macroscópicos à luz. Esta técnica pode abrir caminho para o desenvolvimento de um tipo inteiramente novo de materiais quânticos, ao mesmo tempo que revoluciona potencialmente a compreensão atual dos materiais ópticos quânticos e sua resposta à luz.

"Atualmente, estamos explorando sistemas experimentais adicionais que podem realizar as metassuperfícies quânticas que propomos, "Bekenstein disse." Também estamos interessados ​​em revelar a resposta não linear dessas metassuperfícies quânticas à luz, que ocorrem para feixes de luz de maior intensidade. Finalmente, estamos investigando aplicações práticas específicas das metassuperfícies quânticas propostas para o processamento de informações quânticas. "

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