I ricercatori per la prima volta hanno dimostrato una sorgente di luce quantistica basata su una matrice di lenti metalliche. L'approccio offre una piattaforma promettente sia per l'entanglement di fotoni ad alta dimensione che per il controllo coerente di più fotoni, rendendolo adatto al progresso delle tecnologie quantistiche per la comunicazione sicura, informatica, e altre applicazioni.

Il lavoro sfrutta la capacità di controllare la luce con piccoli, nano/micro-strutture disposte con precisione modellate su una superficie ottica. Il risultato è chiamato metasuperficie. Din Ping Tsai della Hong Kong Polytechnic University presenterà la ricerca al congresso virtuale OSA Advanced Photonics che si terrà dal 26 al 30 luglio. Il discorso di Tsai è previsto per il 27 luglio dalle 19:00 alle 19:15 EDT (UTC alle 04:00).

"I nostri risultati indicano che una metasuperficie può fornire un percorso per la generazione e il controllo di stati quantistici complessi, non solo aumentando la dimensionalità del sistema quantistico ma anche consentendo il controllo coerente di più fotoni, fornendo così una piattaforma compatta e pratica per lo sviluppo dell'elaborazione avanzata delle informazioni fotoniche quantistiche su chip, " disse Tsai.

Le tecnologie quantistiche possono codificare informazioni utilizzando fotoni, l'unità di base della luce. Mentre un computer classico codifica le informazioni utilizzando solo due stati, 0 e 1, i dispositivi quantistici codificano le informazioni nelle relazioni tra i fotoni. Una singola coppia di fotoni entangled può contenere più stati quantistici, consentendo loro di contenere molte più informazioni rispetto ai classici sistemi digitali.

Nel nuovo lavoro, Tsai e colleghi hanno creato una sorgente di luce quantistica che genera 100 coppie di fotoni entangled accoppiati e sovrapposti l'uno all'altro. Generando simultaneamente coppie di fotoni entangled, l'approccio può essere utilizzato per codificare grandi quantità di informazioni in un minuscolo chip.

Per realizzare questo, i ricercatori hanno combinato un array di lenti in metallo, un tipo di metasuperficie che utilizza minuscole antenne per modellare con precisione il fronte d'onda della luce, con un cristallo non lineare (BaB ₂ oh ₄ ) per convertire un fotone di maggiore energia in una coppia di fotoni entangled di minore energia mediante conversione parametrica spontanea. La meta-lente, realizzato con un avanzato processo di nanofabbricazione, consiste in una serie di nano-pilastri di nitruro di gallio (GaN) alti 800 nm. La luce viene pompata da un laser attraverso l'array di lenti metalliche 10x10 e quindi attraverso il cristallo non lineare, generando 100 coppie di fotoni entangled.

Poiché l'entanglement quantistico tra i fotoni dipende dal design della metasuperficie, i ricercatori affermano che questo approccio offre una maggiore flessibilità nella manipolazione della luce rispetto alle fonti quantistiche esistenti, aprendo nuove strade per le tecnologie dell'ottica quantistica.

"La nostra sorgente di fotoni quantistici basata su array di metalli è compatta, stabile, e controllabile, indicando una nuova piattaforma per dispositivi quantistici integrati, " disse Tsai.

I ricercatori hanno verificato gli stati quantistici risultanti in due, tre e quattro dimensioni con fedeltà del 98,4%, 96,6% e 95,0%, rispettivamente. Hanno anche confermato che la sorgente ha una buona indistinguibilità dei fotoni, una caratteristica importante per le sorgenti quantistiche multi-fotone, così come le dipendenze di alimentazione appropriate.

Questa nuova entusiasmante ricerca può aiutare la scienza dell'informazione quantistica a realizzare molte applicazioni nella nostra vita quotidiana in futuro, come comunicazioni mobili sicure abilitate quantistiche, accesso alla posta elettronica, transazioni on line, pagamenti senza contanti, bancomat ed e-banking, così come attività di elaborazione di alto livello come l'apprendimento automatico, intelligenza artificiale, e reti neurali. Il team di ricerca del Prof. Tsai si dedica a continuare il proprio lavoro sulle applicazioni quantistiche basate sulla meta-ottica.