Ультратонкая метаповерхность создает паутину квантово-запутанных фотонов

Квантовая запутанность — это странно звучащее явление, когда две частицы могут настолько сплестись вместе, что манипулирование одной из них мгновенно повлияет на ее партнера, независимо от того, насколько далеко они могут быть друг от друга. Это формирует основу для новых технологий, таких как квантовые вычисления и квантовое шифрование.

Проблема в том, что генерировать запутанные группы фотонов довольно сложно, и обычно это делается с помощью больших массивов лазеров, специализированных кристаллов и другого оптического оборудования. Но у команды Сандии и Макса Планка есть гораздо более простая установка — метаповерхность.

Эти устройства действуют как линзы, манипулируя проходящим через них светом очень контролируемым образом. Но вместо использования кривой и толщины, метаповерхности были точно протравлены наноразмерными структурами для изменения света в соответствии с поставленной задачей, включая захват атомов, захват более четких цветов на изображениях и даже создание голограмм. Лучше всего то, что метаповерхности могут выполнять эти подвиги на гораздо меньших устройствах, чем предыдущая технология.

Для этого исследования метаповерхность команды приняла форму ультратонкого листа стекла, покрытого наноструктурами из полупроводникового материала арсенида галлия. Когда лазер проходит через метаповерхность, некоторые из фотонов, выходящие с другой стороны, делают это запутанными парами. И не по одной паре за раз, а по целой паутине запутанных фотонов. По словам команды, для этого обычно требуется целая лаборатория, полная оборудования.

«Довольно сложно и трудноразрешимо, когда для этой множественной запутанности требуется более двух или трех пар», — сказал Игал Бренер, ведущий исследователь исследования. «Эти нелинейные метаповерхности по существу решают задачу в одном образце, тогда как раньше для этого требовались невероятно сложные оптические установки».

Возможность вызвать квантовую запутанность в группах фотонов одновременно может найти широкое применение в квантовых компьютерах, шифровании, связи и оптике. Прежде чем это произойдет, команде предстоит еще много работы по повышению эффективности метаповерхности.

Исследование опубликовано в журнале Science.