La nanofotonica quantistica è un campo di ricerca attivo con applicazioni emergenti che vanno dall'informatica quantistica all'imaging e alle telecomunicazioni. Ciò ha motivato scienziati e ingegneri a sviluppare sorgenti per fotoni entangled che possono essere integrati in circuiti fotonici su nanoscala. L'applicazione pratica di dispositivi su scala nanometrica richiede un'elevata velocità di generazione di coppie di fotoni, funzionamento a temperatura ambiente, e fotoni entangled emessi alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni in modo direzionale.

Il modo più comune per creare fotoni entangled è mediante un processo noto come Spontaneous Parametric Down Conversion (SPDC) che prevede la suddivisione di un singolo fotone in due fotoni entangled di frequenze inferiori, noto come segnale e ozioso. Gli approcci convenzionali per SPDC si basano su dispositivi ingombranti che sono lunghi fino a diversi centimetri e non sono ottimali per l'integrazione di circuiti fotonici. Al contrario, su scala nanometrica, l'efficienza del processo SPDC è ostacolata dal piccolo volume dei risonatori, e la direzionalità dei fotoni emessi è difficile da controllare.

Le metasuperfici dielettriche offrono un percorso promettente per migliorare e personalizzare l'emissione di fotoni SPDC. Ad oggi, però, le metasuperfici hanno utilizzato risonanze Mie con fattore di qualità relativamente basso e hanno un ampio spettro di emissione di conseguenza, che limita la luminosità spettrale dei fotoni. Una nuova ricerca rivela che le risonanze BIC (Bound States in the Continuum) estese consentono di sfruttare i modi nella metasuperficie che hanno fattori di qualità molto elevati. Ciò a sua volta significa che la generazione di coppie di fotoni all'interno dei risonatori è potenziata di molti ordini di grandezza e la lunghezza d'onda dei fotoni avrà una larghezza di banda molto stretta. Ciò si traduce in una luminosità spettrale molto elevata, che è vantaggioso per le applicazioni di rete quantistica.

Come riportato in Fotonica avanzata , un team internazionale di ricercatori dell'Australian National University (Matthew Parry, Dragomir N. Neshev, e Andrey A. Sukhorukov), Il Politecnico di Milano (Andrea Mazzanti e Giuseppe Della Valle) e l'Università ITMO di San Pietroburgo (Alexander Poddubny) hanno recentemente dimostrato una maggiore generazione di coppie di fotoni non degeneri in metasuperfici non lineari. In una serie di simulazioni complete, hanno usato BIC separati a lunghezze d'onda leggermente diverse per il segnale e i fotoni idler in SPDC, che ha permesso loro di aumentare la luminosità dei fotoni entangled di cinque ordini di grandezza rispetto a quella di un film sottile non modellato di materiale non lineare. Attribuiscono questo miglioramento in gran parte al nuovo fenomeno della corrispondenza di fase trasversale iperbolica, che facilita la generazione efficiente di fotoni in un'ampia gamma di momenti fotonici.

Il loro metodo proposto non solo consente la generazione di coppie di fotoni con entanglement quantistico, ma semplicemente cambiando la polarizzazione lineare del laser a pompa è possibile regolare l'entanglement di polarizzazione dei fotoni da pieno a nessuno. Questo è un modo facilmente implementabile per controllare l'entanglement, in modo che soddisfi i requisiti delle potenziali applicazioni. La piattaforma proposta è inoltre altamente configurabile rispetto sia alla lunghezza d'onda del segnale e dei fotoni idler che ai BIC utilizzati, che apre il potenziale per ingegnerizzare la direzione in cui vengono emessi i fotoni.

I ricercatori, il cui lavoro è sostenuto dall'Australian Research Council e dal programma Horizon 2020 della Commissione Europea, affermano che il loro progresso è un passo importante verso dispositivi quantistici miniaturizzati per le applicazioni quotidiane.