Os pesquisadores, pela primeira vez, demonstraram uma fonte de luz quântica baseada em um arranjo de meta-lentes. A abordagem oferece uma plataforma promissora para o emaranhamento de fótons de alta dimensão e o controle coerente de vários fótons, tornando-o adequado para o avanço de tecnologias quânticas para comunicação segura, Informática, e outros aplicativos.

O trabalho aproveita a capacidade de controlar a luz com minúsculos, nano / microestruturas precisamente dispostas padronizadas em uma superfície óptica. O resultado é denominado metassuperfície. Din Ping Tsai, da Universidade Politécnica de Hong Kong, apresentará a pesquisa no Congresso OSA Advanced Photonics virtual, que acontecerá de 26 a 30 de julho. A palestra de Tsai está agendada para 27 de julho, das 19h às 19h15 (UTC - 4h).

"Nossos resultados indicam que uma metassuperfície pode fornecer uma rota para a geração e controle de estados quânticos complexos, não apenas aumentando a dimensionalidade do sistema quântico, mas também permitindo o controle coerente de vários fótons, fornecendo assim uma plataforma compacta e prática para o desenvolvimento de processamento avançado de informação fotônica quântica no chip, "disse Tsai.

As tecnologias quânticas podem codificar informações usando fótons, a unidade básica de luz. Enquanto um computador clássico codifica informações usando apenas dois estados, 0 e 1, dispositivos quânticos codificam informações nas relações entre os fótons. Um único par de fótons emaranhados pode conter vários estados quânticos, permitindo-lhes armazenar muito mais informações do que os sistemas digitais clássicos.

No novo trabalho, Tsai e seus colegas criaram uma fonte de luz quântica que gera 100 pares de fótons emaranhados que são acoplados e sobrepostos uns aos outros. Ao gerar pares de fótons emaranhados simultaneamente, a abordagem pode ser usada para codificar grandes quantidades de informações em um minúsculo chip.

Para alcançar isto, os pesquisadores combinaram uma matriz de meta-lentes, um tipo de metassuperfície que usa pequenas antenas para projetar com precisão a frente de onda da luz, com um cristal não linear (BaB ₂ O ₄ ) para converter um fóton de energia mais alta em um par de fótons emaranhados de energia mais baixa usando conversão paramétrica espontânea. A meta-lente, feito com um processo de nanofabricação avançado, consiste em uma série de nano-pilares de nitreto de gálio (GaN) com 800 nm de altura. A luz é bombeada de um laser através da matriz de meta-lentes 10x10 e, em seguida, através do cristal não linear, gerando 100 pares de fótons emaranhados.

Como o emaranhamento quântico entre os fótons é dependente do projeto da metassuperfície, os pesquisadores dizem que esta abordagem oferece mais flexibilidade na manipulação da luz do que as fontes quânticas existentes, abrindo novos caminhos para tecnologias ópticas quânticas.

"Nossa fonte de fótons quânticos baseada em matriz de metalens é compacta, estábulo, e controlável, indicando uma nova plataforma para dispositivos quânticos integrados, "disse Tsai.

Os pesquisadores verificaram os estados quânticos resultantes em dois, três e quatro dimensões com fidelidade de 98,4%, 96,6% e 95,0%, respectivamente. Eles também confirmaram que a fonte tem boa indistinguibilidade de fótons, um recurso importante para fontes quânticas multi-fótons, bem como dependências de energia apropriadas.

Esta excitante nova pesquisa pode ajudar a ciência da informação quântica a realizar muitas aplicações em nossa vida diária no futuro, como comunicações móveis seguras habilitadas para quantum, acesso de e-mail, transações online, pagamentos sem dinheiro, ATMs e e-banking, bem como tarefas de computação de alto nível, como aprendizado de máquina, inteligência artificial, e redes neurais. A equipe de pesquisa do Prof. Tsai se dedica a continuar seu trabalho em aplicações quânticas baseadas em meta-óptica.