Le metasuperfici sono materiali artificiali progettati su scala nanometrica, che può controllare la dispersione della luce con una precisione eccezionalmente elevata. Negli ultimi dieci anni o giù di lì, questi materiali sono stati utilizzati per creare una varietà di strumenti tecnologici che vanno dai sensori alle lenti e alle tecniche di imaging.

Un team di ricerca guidato da Mikhail Lukin dell'Università di Harvard ha recentemente proposto un nuovo tipo di metasuperficie in grado di controllare sia le proprietà spazio-temporali che quelle quantistiche della luce trasmessa e riflessa. In un articolo pubblicato su Fisica della natura , il team ha dimostrato che la realizzazione di una metasuperficie quantistica è possibile e potrebbe essere ottenuta impigliando la risposta macroscopica di matrici di atomi sottili alla luce.

"Le metasuperfici quantistiche sono un tipo completamente nuovo di materiali progettati atomo per atomo, che consentono applicazioni come il calcolo quantistico con fotoni, "Rivka Bekenstein, l'autore principale del recente articolo, ha detto a Phys.org. "Abbiamo combinato una tecnica all'avanguardia per manipolare lo stato di molti atomi mediante interazioni a lungo raggio (cioè, interazioni di Rydberg) con una recente scoperta di come un singolo foglio di atomi può riflettere la luce. Abbiamo individuato un'architettura realizzabile in laboratorio, in cui un singolo strato di atomi può agire come uno specchio quantico commutabile."

Come parte del loro studio, Bekenstein e i suoi colleghi hanno esaminato diverse metasuperfici quantistiche che possono essere controllate per avere diverse proprietà di diffusione della luce. Una delle fonti più importanti per lo sviluppo delle tecnologie quantistiche sono gli stati entangled, che sono stati unici che esistono solo per le entità quantistiche. Il metamateriale quantistico proposto dai ricercatori consente la produzione di specifici stati entangled di molte particelle leggere (cioè, fotoni), che sono particolarmente preziosi per le applicazioni di elaborazione delle informazioni quantistiche.

In determinate condizioni ambientali, gli atomi possono essere manipolati per diventare trasparenti usando campi elettrici esterni. Recenti studi hanno inoltre dimostrato che un singolo foglio di atomi può riflettere la luce, simile a un normale specchio.

Utilizzando le interazioni di Rydberg che si verificano naturalmente nei sistemi atomici, Bekenstein ei suoi colleghi sono stati in grado di identificare uno schema in cui un singolo strato di atomi riflette e trasmette simultaneamente la luce in una sovrapposizione quantistica. In altre parole, la metasuperficie quantistica risultante potrebbe diventare trasparente e riflettere la luce, come uno specchio.

"Nella meccanica quantistica, le entità possono coesistere in stati diversi:questo è chiamato stato di sovrapposizione, " Bekenstein ha detto. "La nostra metasuperficie quantistica è un nuovo tipo di materiale che può far coesistere la luce in due direzioni diverse. Questo viene fatto manipolando lo stato degli atomi e poi facendo brillare un debole laser per disperdersi da loro".

La strategia di progettazione impiegata da Bekenstein e dai suoi colleghi induce l'entanglement quantistico tra diverse metasuperfici e luce, così come tra le singole particelle di luce. In particolare, l'architettura che hanno proposto potrebbe anche essere manipolata per avere quantità variabili di fotoni in stati entangled, che è una capacità cruciale per la maggior parte delle applicazioni quantistiche, compreso il calcolo quantistico.

Attraverso una serie di calcoli quantitativi, i ricercatori hanno analizzato come la loro metasuperficie consente operazioni quantistiche tra atomi e fotoni, consentendo la generazione di stati fotonici altamente entangled ideali per le applicazioni di elaborazione delle informazioni quantistiche.

"Un vantaggio chiave della nostra architettura è che un solo atomo deve essere preparato in uno stato di sovrapposizione quantistica in laboratorio, " disse Bekenstein. "Centinaia di atomi costruiscono la metasuperficie quantistica, ma solo uno deve essere manipolato a livello della meccanica quantistica, che rendono pratica questa proposta. Ciò è abilitato a causa dell'interazione a lungo raggio che utilizziamo nello schema, che esiste naturalmente per gli atomi in specifici livelli di energia."

Sorprendentemente, il recente studio di Bekenstein e dei suoi colleghi introduce una tecnica per ottenere il controllo quantistico sulla risposta dei materiali macroscopici alla luce. Questa tecnica potrebbe aprire la strada allo sviluppo di un tipo completamente nuovo di materiali quantistici, ma anche potenzialmente rivoluzionando l'attuale comprensione dei materiali ottici quantistici e la loro risposta alla luce.

"Stiamo attualmente esplorando ulteriori sistemi sperimentali in grado di realizzare le metasuperfici quantistiche che abbiamo proposto, " ha detto Bekenstein. "Siamo anche interessati a rivelare la risposta non lineare di queste metasuperfici quantistiche alla luce, che si verificano per fasci di luce di maggiore intensità. Finalmente, stiamo studiando applicazioni pratiche specifiche delle metasuperfici quantistiche proposte per l'elaborazione delle informazioni quantistiche".

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