Cientistas do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz e da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, em cooperação com o Sandia National Laboratories, criaram com sucesso pares de fótons em várias frequências diferentes usando metasuperfícies ressonantes.
Um fóton é o quantum (a quantidade mínima envolvida em uma interação) de qualquer forma de radiação eletromagnética, como a luz. Os fótons são essenciais para vários campos de pesquisa e tecnologias atuais, como a engenharia de estado quântico, que por sua vez representa a pedra angular de todas as tecnologias fotônicas quânticas. Com a ajuda da fotônica quântica, cientistas e engenheiros estão trabalhando para criar novas tecnologias, como novas formas de criptografia para canais de comunicação altamente seguros e novos tipos de supercomputadores.

Um dos principais requisitos para a engenharia de estado quântico é a criação de pares de fótons. Isso tem sido tradicionalmente alcançado através do uso de um dos dois efeitos não lineares, conversão descendente paramétrica espontânea (SPDC) ou mistura espontânea de quatro ondas (SFWM), em elementos ópticos em massa. Os efeitos não lineares fazem com que um ou dois fótons da bomba decaiam espontaneamente em um par de fótons.

No entanto, esses efeitos requerem uma estrita conservação de momento para os fótons envolvidos. Qualquer material pelo qual os fótons tenham que viajar tem propriedades de dispersão, impedindo a conservação do momento. Existem técnicas que ainda atingem a conservação necessária, mas limitam severamente a versatilidade dos estados em que os pares de fótons podem ser produzidos. Como resultado, embora elementos ópticos tradicionais, como cristais não lineares e guias de onda, tenham produzido com sucesso muitos estados quânticos fotônicos, seu uso é limitado e difícil de manejar. Tão recentemente, os pesquisadores olharam para as chamadas metasuperfícies ópticas.

Produzindo pares de fótons com metasuperfícies

As metasuperfícies são dispositivos ópticos planos ultrafinos compostos por matrizes de nanoressonadores. Sua espessura de subcomprimento de onda (algumas centenas de nanômetros) os torna efetivamente bidimensionais. Isso os torna muito mais fáceis de manusear do que os dispositivos ópticos volumosos tradicionais. Ainda mais importante, devido à menor espessura, a conservação do momento dos fótons é relaxada porque os fótons precisam percorrer muito menos material do que com os dispositivos ópticos tradicionais:de acordo com o princípio da incerteza, o confinamento no espaço leva a um momento indefinido. Isso permite que vários processos não lineares e quânticos aconteçam com eficiências comparáveis ​​e abre a porta para o uso de muitos novos materiais que não funcionariam em elementos ópticos tradicionais.

Por esse motivo, e também por serem compactos e mais práticos de manusear do que elementos ópticos volumosos, as metasuperfícies estão entrando em foco como fontes de pares de fótons para experimentos quânticos. Além disso, metasuperfícies podem transformar fótons simultaneamente em vários graus de liberdade, como polarização, frequência e caminho.

Tomás Santiago-Cruz e Maria Chekhova do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz e Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg em cooperação com o grupo de pesquisa de Igal Brener nos Laboratórios Nacionais Sandia em Albuquerque, Novo México, deram agora um novo passo em conseguir exatamente isso. Em um artigo recentemente publicado na Science No jornal, Chekhova e seus colegas demonstraram pela primeira vez como as metasuperfícies produzem pares de fótons de dois comprimentos de onda diferentes.

Além disso, fótons de um determinado comprimento de onda podem ser emparelhados com fótons em dois ou mais comprimentos de onda diferentes simultaneamente. Desta forma, pode-se criar várias ligações entre fótons de cores diferentes. Além disso, as ressonâncias da metasuperfície aumentam a taxa de emissão de fótons em várias ordens de grandeza em comparação com fontes uniformes da mesma espessura. Tomás Santiago-Cruz acredita que as metasuperfícies desempenharão um papel fundamental na futura pesquisa quântica:“As metasuperfícies estão levando a uma mudança de paradigma na óptica quântica, combinando fontes ultra pequenas de luz quântica com possibilidades de longo alcance para engenharia de estado quântico”.

No futuro, esses recursos podem ser usados ​​para construir estados quânticos muito grandes e complicados, necessários para a computação quântica. Além disso, o perfil fino das metasuperfícies e sua operação multifuncional possibilitam o desenvolvimento de dispositivos compactos mais avançados, combinando geração, transformação e detecção de estados quânticos. Maria Chekhova está empolgada com o caminho que sua pesquisa está tomando:"As fontes de nossos fótons estão se tornando cada vez menores, ao mesmo tempo em que suas possibilidades se tornam cada vez mais amplas". + Explorar mais

Gerando fótons emaranhados com metasuperfícies não lineares