#98 Metasuperfícies produzem entrelaçamento quântico de fótons 14/09/22

Tomás Santiago-Cruz e Maria Chekhova do Instituto Max Planck, usaram com sucesso metasuperfícies ressonantes para criar pares de fótons em várias frequências diferentes.

Um fóton é a quantidade mínima envolvida em uma interação da luz. Os fótons são essenciais para vários campos de pesquisa e tecnologias contemporâneas, incluindo a engenharia de estado quântico, que por sua vez representa a pedra angular de todas as tecnologias fotônicas quânticas. Com a ajuda da fotônica quântica, engenheiros e cientistas estão trabalhando para criar novas tecnologias, como novos tipos de supercomputadores e novas formas de criptografia para canais de comunicação altamente seguros.

A criação de pares de fótons é um dos principais requisitos para a engenharia de estado quântico. Isso tem sido tradicionalmente alcançado através do uso de um dos dois efeitos não lineares, conversão descendente paramétrica espontânea ou mistura espontânea de quatro ondas, em elementos ópticos em massa. Os efeitos não lineares fazem com que um ou dois feixes de fótons decaiam espontaneamente em um par de fótons.

Esses efeitos, no entanto, requerem uma estrita conservação de momento para os fótons envolvidos. Qualquer material pelo qual os fótons tenham que viajar tem propriedades de dispersão, impedindo a conservação do momento. Existem técnicas que ainda atingem a conservação necessária, mas limitam severamente a versatilidade dos estados em que os pares de fótons podem ser produzidos. Como consequência, embora elementos ópticos tradicionais, como cristais não lineares e guias de onda, tenham produzido com sucesso muitos estados quânticos fotônicos, seu uso é limitado e complicado. Portanto, os pesquisadores recentemente concentraram sua atenção nas chamadas metasuperfícies ópticas.

As metasuperfícies são dispositivos ópticos planos ultrafinos compostos por matrizes de nanoressonadores. Sua espessura de subcomprimento de onda de algumas centenas de nanômetros, efetivamente os torna bidimensionais. Isso os torna muito mais fáceis de manusear do que os dispositivos ópticos volumosos tradicionais. Ainda mais importante, devido à menor espessura, a conservação do momento dos fótons é relaxada porque os fótons precisam percorrer muito menos material do que com os dispositivos ópticos tradicionais: de acordo com o princípio da incerteza, o confinamento no espaço leva a um momento indefinido. Isso permite que vários processos não lineares e quânticos aconteçam com eficiências comparáveis ​​e abre a porta para o uso de muitos novos materiais que não funcionariam em elementos ópticos tradicionais.

Por esse motivo, e também por serem compactos e mais práticos de manusear do que elementos ópticos volumosos, as metasuperfícies estão entrando em foco como fontes de pares de fótons para experimentos quânticos. Além disso, metasuperfícies podem transformar fótons simultaneamente em vários graus de liberdade, como polarização, frequência e caminho.

Fótons de um determinado comprimento de onda podem ser emparelhados com fótons em dois ou mais comprimentos de onda diferentes simultaneamente. Desta forma, pode-se criar várias ligações entre fótons de cores diferentes. Além disso, as ressonâncias da metasuperfície aumentam a taxa de emissão de fótons em várias ordens de grandeza em comparação com fontes uniformes da mesma espessura. Tomás Santiago-Cruz acredita que as metasuperfícies desempenharão um papel fundamental na futura pesquisa quântica: “As metasuperfícies estão levando a uma mudança de paradigma na óptica quântica, combinando fontes ultrapequenas de luz quântica com possibilidades de longo alcance para engenharia de estado quântico”.

#metasuperfícies