Due team di scienziati del Technion-Israel Institute of Technology hanno collaborato per condurre una ricerca rivoluzionaria che porta allo sviluppo di un campo scientifico nuovo e innovativo:i metamateriali quantistici. I risultati sono presentati in un nuovo documento congiunto pubblicato sulla rivista Scienza .

Lo studio è stato condotto congiuntamente dal distinto professor Mordechai Segev, del Dipartimento di Fisica del Technion e del Solid State Institute e il suo team Tomer Stav e Dikla Oren, in collaborazione con il Prof. Erez Hasman della Facoltà di Ingegneria Meccanica del Technion e il suo team Arkady Faerman, Elhanan Maguid, e il dottor Vladimir Kleiner. Entrambi i gruppi sono anche affiliati al Russell Berrie Nanotechnology Institute (RBNI).

I ricercatori hanno dimostrato per la prima volta che è possibile applicare i metamateriali al campo dell'informazione quantistica e dell'informatica, aprendo così la strada a numerose applicazioni pratiche tra cui, tra gli altri, lo sviluppo di crittografie infrangibili, oltre ad aprire la porta a nuove possibilità per i sistemi di informazione quantistica su un chip.

I metamateriali sono materiali fabbricati artificialmente, costituito da numerose strutture artificiali su nanoscala progettate per rispondere alla luce in modi diversi. Le metasuperfici sono la versione bidimensionale dei metamateriali:superfici estremamente sottili costituite da numerose nanoantenne ottiche a lunghezza d'onda inferiore, ciascuno progettato per svolgere una funzione specifica sull'interazione con la luce.

Mentre ad oggi, la sperimentazione con i metamateriali è stata ampiamente limitata alle manipolazioni che utilizzano la luce classica, i ricercatori del Technion hanno dimostrato per la prima volta che è sperimentalmente fattibile utilizzare i metamateriali come elementi costitutivi per l'ottica quantistica e l'informazione quantistica. Più specificamente, i ricercatori hanno dimostrato l'uso di metamateriali per generare e manipolare l'entanglement, che è la caratteristica più cruciale di qualsiasi schema di informazione quantistica.

"Quello che abbiamo fatto in questo esperimento è portare il campo dei metamateriali nel regno dell'informazione quantistica, " dice il Dist. Prof. Moti Segev, uno dei fondatori della Helen Diller Quantum Science, Matter and Engineering Center al Technion. "Con la tecnologia di oggi, si possono progettare e fabbricare materiali con proprietà elettromagnetiche quasi arbitrarie. Per esempio, si può progettare e fabbricare un mantello dell'invisibilità in grado di nascondere piccole cose ai radar, oppure si può creare un mezzo in cui la luce si piega all'indietro. Ma finora tutto questo è stato fatto con la luce classica. Quello che mostriamo qui è come sfruttare le superbe capacità dei materiali artificiali nano-progettati per generare e controllare la luce quantistica".

"Il componente chiave qui è una metasuperficie dielettrica, " dice il prof. Erez Hasman, "che agisce in modo diverso dalla luce polarizzata destrorsa e sinistra, imponendo loro fronti di fase opposti che sembrano viti o vortici, uno in senso orario e uno in senso antiorario. La metasuperficie doveva essere nanofabbricata da materiali trasparenti, altrimenti - se avessimo incluso i metalli, come nella maggior parte degli esperimenti con i metamateriali, le proprietà quantistiche verrebbero distrutte."

"Questo progetto è iniziato nella mente di due studenti di talento:Tomer Stav e Arkady Faerman, " dicono i prof. Segev e Hasman, "che è venuto da noi con un'idea rivoluzionaria. Il progetto porta a molte nuove direzioni che sollevano questioni fondamentali e nuove possibilità di applicazioni, Per esempio, realizzare sistemi di informazione quantistica su un chip e controllare le proprietà quantistiche al momento della progettazione".

Nella loro ricerca, gli scienziati hanno condotto due serie di esperimenti per generare l'entanglement tra lo spin e il momento angolare orbitale dei fotoni. I fotoni sono le particelle elementari che compongono la luce:hanno massa nulla, viaggiare alla velocità della luce, e normalmente non interagiscono tra loro.

Negli esperimenti, i ricercatori hanno prima fatto brillare un raggio laser attraverso un cristallo non lineare per creare singole coppie di fotoni, ciascuno caratterizzato da momento orbitale nullo e ciascuno con polarizzazione lineare. Un fotone in polarizzazione lineare significa che è una sovrapposizione di polarizzazione circolare destrorsa e sinistrorsa, che corrispondono a spin positivo e negativo.

Nel primo esperimento gli scienziati hanno proceduto a dividere le coppie di fotoni, dirigendone una attraverso un'unica metasuperficie fabbricata e l'altra verso un rivelatore per segnalare l'arrivo dell'altro fotone. Hanno quindi misurato il singolo fotone che è passato attraverso la metasuperficie per scoprire che aveva acquisito il momento angolare orbitale (OAM) e che l'OAM è rimasto impigliato con lo spin.

Nel secondo esperimento, le singole coppie di fotoni sono state fatte passare attraverso la metasuperficie e misurate utilizzando due rivelatori per mostrare che si erano intrecciate:lo spin di un fotone era stato correlato con il momento angolare orbitale dell'altro fotone, e viceversa.

Entanglement significa sostanzialmente che le azioni eseguite su un fotone influenzano simultaneamente l'altro, anche se distribuito su grandi distanze. Nella meccanica quantistica, si ritiene che i fotoni esistano in stati di spin sia positivi che negativi, ma una volta misurato adotta un solo stato.

Questo è forse meglio spiegato attraverso una semplice analogia:prendi due scatole ciascuna con due palline all'interno:una rossa e una blu. Se le scatole non sono impigliate, puoi raggiungere la scatola ed estrarre una palla rossa o blu. Però, se le scatole dovessero impigliarsi, quindi la palla all'interno della scatola potrebbe essere rossa o blu ma sarà determinata solo nel momento in cui si osserva la palla in una scatola, determinando contemporaneamente il colore della pallina anche nella seconda casella. Questa storia è stata inizialmente raccontata dal famoso premio Nobel Erwin Schroedinger, presentando lo scenario di un gatto in una scatola, dove il gatto è sia vivo che morto finché la scatola non viene aperta.

Quando raggiunge la metasuperficie, avviene l'interazione tra lo spin (polarizzazione circolare) e il momento angolare orbitale. Esce dalla metasuperficie in un singolo stato entangled di fotoni; lo spin positivo (rappresentato in rosso dall'ampiezza del campo elettrico) e il momento angolare orbitale antiorario (rappresentato in rosso dal vortice di fase) sono intrecciati con lo spin negativo (blu) e il momento angolare orbitale orario (blu). Credito di animazione:Ella Maru Studio

Da più di un secolo, il Technion-Israel Institute of Technology è stato pioniere nell'educazione scientifica e tecnologica e ha prodotto un impatto che cambia il mondo. Orgogliosamente un'università globale, il Technion ha a lungo sfruttato le collaborazioni che attraversano i confini per far avanzare la ricerca e le tecnologie rivoluzionarie. Ora con una presenza in tre paesi, il Technion preparerà la prossima generazione di innovatori globali. gente tecnica, le idee e le invenzioni apportano contributi incommensurabili al mondo, innovare in campi dalla ricerca sul cancro e l'energia sostenibile all'informatica quantistica e all'informatica, fare del bene in tutto il mondo.