Gli scienziati del Max Planck Institute for the Science of Light e della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, in collaborazione con i Sandia National Laboratories, hanno creato con successo coppie di fotoni a diverse frequenze utilizzando metasuperfici risonanti.

Un fotone è il quanto (la quantità minima coinvolta in un'interazione) di qualsiasi forma di radiazione elettromagnetica, come la luce. I fotoni sono essenziali per una serie di attuali campi di ricerca e tecnologie, come l'ingegneria quantistica dello stato, che a sua volta rappresenta la pietra angolare di tutte le tecnologie fotoniche quantistiche. Con l'aiuto della fotonica quantistica, scienziati e ingegneri stanno lavorando per creare nuove tecnologie come nuove forme di crittografia per canali di comunicazione altamente sicuri e nuovi tipi di supercomputer.

Uno dei requisiti chiave per l'ingegneria quantistica dello stato è la creazione di coppie di fotoni. Ciò è stato tradizionalmente ottenuto attraverso l'uso di uno dei due effetti non lineari, la conversione spontanea parametrica verso il basso (SPDC) o la miscelazione spontanea a quattro onde (SFWM), in elementi ottici sfusi. Gli effetti non lineari fanno sì che uno o due fotoni di pompa decadano spontaneamente in una coppia di fotoni.

Tuttavia, questi effetti richiedono una rigorosa conservazione della quantità di moto per i fotoni coinvolti. Qualsiasi materiale, attraverso il quale i fotoni devono viaggiare, ha proprietà di dispersione, impedendo la conservazione della quantità di moto. Esistono tecniche che consentono ancora la conservazione necessaria, ma limitano fortemente la versatilità degli stati in cui possono essere prodotte le coppie di fotoni. Di conseguenza, anche se gli elementi ottici tradizionali come i cristalli non lineari e le guide d'onda hanno prodotto con successo molti stati quantistici fotonici, il loro uso è limitato e ingombrante. Di recente, i ricercatori hanno esaminato le cosiddette metasuperfici ottiche.

Produzione di coppie di fotoni con metasuperfici

Le metasuperfici sono dispositivi ottici planari ultrasottili costituiti da array di nanorisonatori. Il loro spessore subwavelength (poche centinaia di nanometri) li rende effettivamente bidimensionali. Ciò li rende molto più facili da maneggiare rispetto ai tradizionali dispositivi ottici ingombranti. Ancora più importante, a causa del minore spessore, la conservazione della quantità di moto dei fotoni è rilassata perché i fotoni devono viaggiare attraverso molto meno materiale rispetto ai dispositivi ottici tradizionali:secondo il principio di indeterminazione, il confinamento nello spazio porta a una quantità di moto indefinita. Ciò consente l'esecuzione di più processi non lineari e quantistici con efficienze comparabili e apre le porte all'utilizzo di molti nuovi materiali che non funzionerebbero negli elementi ottici tradizionali.

Per questo motivo, e anche per essere compatte e più pratiche da maneggiare rispetto agli ingombranti elementi ottici, le metasuperfici si stanno mettendo a fuoco come sorgenti di coppie di fotoni per esperimenti quantistici. Inoltre, le metasuperfici potrebbero trasformare simultaneamente i fotoni in diversi gradi di libertà, come polarizzazione, frequenza e percorso.

Tomás Santiago-Cruz e Maria Chekhova del Max Planck Institute for the Science of Light e della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg in collaborazione con il gruppo di ricerca di Igal Brener presso i Sandia National Laboratories di Albuquerque, New Mexico, hanno ora compiuto un nuovo passo nel raggiungere proprio questo. In un articolo recentemente pubblicato su Scienza journal, Chekhova e i suoi colleghi hanno dimostrato per la prima volta come le metasuperfici producono coppie di fotoni di due diverse lunghezze d'onda.

Inoltre, fotoni di una certa lunghezza d'onda possono essere accoppiati con fotoni a due o più lunghezze d'onda diverse contemporaneamente. In questo modo, si possono creare collegamenti multipli tra fotoni di colore diverso. Inoltre, le risonanze della metasuperficie aumentano la velocità di emissione dei fotoni di diversi ordini di grandezza rispetto a sorgenti uniformi dello stesso spessore. Tomás Santiago-Cruz ritiene che le metasuperfici svolgeranno un ruolo chiave nella futura ricerca quantistica:"Le metasuperfici stanno portando a un cambio di paradigma nell'ottica quantistica, combinando sorgenti ultra piccole di luce quantistica con possibilità di vasta portata per l'ingegneria dello stato quantistico".

In futuro, queste caratteristiche potranno essere utilizzate per costruire stati quantistici complicati molto grandi, necessari per il calcolo quantistico. Inoltre, il profilo sottile delle metasuperfici e il loro funzionamento multifunzionale consente lo sviluppo di dispositivi compatti più avanzati, combinando generazione, trasformazione e rilevamento di stati quantistici. Maria Chekhova è entusiasta del percorso intrapreso dalla loro ricerca:"Le sorgenti dei nostri fotoni stanno diventando sempre più piccole mentre allo stesso tempo le loro possibilità continuano a diventare sempre più ampie". + Esplora ulteriormente

Generazione di fotoni entangled con metasuperfici non lineari