Nanofotônica quântica é um campo de pesquisa ativo com aplicações emergentes que variam de computação quântica a imagens e telecomunicações. Isso motivou cientistas e engenheiros a desenvolver fontes para fótons emaranhados que podem ser integrados em circuitos fotônicos em nanoescala. A aplicação prática de dispositivos em nanoescala requer uma alta taxa de geração de pares de fótons, operação em temperatura ambiente, e fótons emaranhados emitidos em comprimentos de onda de telecomunicações de maneira direcional.

A maneira mais comum de criar fótons emaranhados é por um processo conhecido como Conversão Paramétrica Descendente Espontânea (SPDC), que envolve um único fóton sendo dividido em dois fótons emaranhados de frequências mais baixas, conhecido como sinal e idler. As abordagens convencionais para SPDC dependem de dispositivos volumosos com até vários centímetros de comprimento e não são ideais para integração de circuito fotônico. Por outro lado, em nanoescala, a eficiência do processo SPDC é prejudicada pelo pequeno volume dos ressonadores, e a direcionalidade dos fótons emitidos é difícil de controlar.

Metassuperfícies dielétricas oferecem uma rota promissora para aumentar e ajustar a emissão de fótons SPDC. A data, Contudo, metassuperfícies usaram ressonâncias de Mie com fator de qualidade relativamente baixo e têm um espectro de emissão adequadamente amplo, que restringe o brilho espectral dos fótons. Uma nova pesquisa revela que as ressonâncias Bound States estendidas no Continuum (BIC) tornam possível aproveitar os modos na metassuperfície que têm fatores de qualidade muito altos. Isso, por sua vez, significa que a geração de pares de fótons dentro dos ressonadores é aumentada em muitas ordens de magnitude e o comprimento de onda dos fótons terá uma largura de banda muito estreita. Isso resulta em um brilho espectral muito alto, o que é benéfico para aplicativos de rede quântica.

Conforme relatado em Fotônica Avançada , uma equipe internacional de pesquisadores da Australian National University (Matthew Parry, Dragomir N. Neshev, e Andrey A. Sukhorukov), O Politécnico de Milão (Andrea Mazzanti e Giuseppe Della Valle) e a Universidade ITMO de São Petersburgo (Alexander Poddubny) demonstraram recentemente uma geração aprimorada de pares de fótons não degenerados em metassuperfícies não lineares. Em uma série de simulações abrangentes, eles usaram BICs separados em comprimentos de onda ligeiramente diferentes para o sinal e fótons inativos em SPDC, o que lhes permitiu aumentar o brilho dos fótons emaranhados em cinco ordens de magnitude sobre o de uma fina película não padronizada de material não linear. Eles atribuem esse aprimoramento em grande parte ao novo fenômeno de correspondência de fase transversal hiperbólica, o que facilita a geração eficiente de fótons em uma ampla gama de momentos de fótons.

Não só o método proposto permite a geração de pares de fótons que são emaranhados quânticos, mas, simplesmente mudando a polarização linear da bomba de laser, é possível ajustar o emaranhamento de polarização dos fótons de total para zero. Esta é uma maneira facilmente implementada de controlar o emaranhamento, para que ele atenda aos requisitos de aplicativos em potencial. A plataforma proposta também é altamente configurável no que diz respeito ao comprimento de onda do sinal e fótons intermediários, bem como os BICs usados, o que abre o potencial para a engenharia da direção na qual os fótons são emitidos.

Os pesquisadores, cujo trabalho é apoiado pelo Australian Research Council e pelo programa Horizon 2020 da Comissão Europeia, dizem que seu avanço é um passo importante em direção a dispositivos quânticos miniaturizados para aplicações cotidianas.