Een ultradunne uitvinding zou toekomstige computer-, detectie- en coderingstechnologieën opmerkelijk kleiner en krachtiger kunnen maken door wetenschappers te helpen een vreemd maar nuttig fenomeen van de kwantummechanica te beheersen, volgens nieuw onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in het tijdschrift Science .

Wetenschappers van Sandia National Laboratories en het Max Planck Institute for the Science of Light hebben gerapporteerd over een apparaat dat een kamer vol apparatuur zou kunnen vervangen om fotonen te koppelen in een bizar kwantumeffect dat verstrengeling wordt genoemd. Dit apparaat - een soort nano-geconstrueerd materiaal dat een meta-oppervlak wordt genoemd - maakt de weg vrij voor het verstrengelen van fotonen op complexe manieren die niet mogelijk waren met compacte technologieën.

Als wetenschappers zeggen dat fotonen verstrengeld zijn, bedoelen ze dat ze op zo'n manier met elkaar verbonden zijn dat acties op de ene invloed hebben op de andere, ongeacht waar of hoe ver de fotonen zich in het universum bevinden. Het is een effect van de kwantummechanica, de natuurwetten die deeltjes en andere heel kleine dingen beheersen.

Hoewel het fenomeen misschien vreemd lijkt, hebben wetenschappers het gebruikt om informatie op nieuwe manieren te verwerken. Verstrengeling helpt bijvoorbeeld bij het beschermen van delicate kwantuminformatie en het corrigeren van fouten in kwantumcomputing, een gebied dat op een dag ingrijpende gevolgen kan hebben voor de nationale veiligheid, wetenschap en financiën. Verstrengeling maakt ook nieuwe, geavanceerde coderingsmethoden mogelijk voor veilige communicatie.

Onderzoek naar het baanbrekende apparaat, dat honderd keer dunner is dan een vel papier, werd gedeeltelijk uitgevoerd in het Center for Integrated Nanotechnologies, een gebruikersfaciliteit van het Department of Energy Office of Science die wordt beheerd door de nationale laboratoria van Sandia en Los Alamos. Sandia's team ontving financiering van het Office of Science, Basic Energy Sciences-programma.

Licht gaat naar binnen, verstrengelde fotonen komen naar buiten

Het nieuwe meta-oppervlak fungeert als een doorgang naar dit ongewone kwantumfenomeen. In zekere zin is het als de spiegel in Lewis Carrol's "Through the Looking-Glass", waardoor de jonge hoofdpersoon Alice een vreemde, nieuwe wereld ervaart.

In plaats van door hun nieuwe apparaat te lopen, schijnen wetenschappers er een laser doorheen. De lichtstraal gaat door een ultradun glasmonster bedekt met nanoschaalstructuren gemaakt van een gewoon halfgeleidermateriaal dat galliumarsenide wordt genoemd.

"Het vervormt alle optische velden", zegt Igal Brener, senior wetenschapper bij Sandia, een expert op het gebied van niet-lineaire optica die leiding gaf aan het Sandia-team. Af en toe, zei hij, komt een paar verstrengelde fotonen met verschillende golflengten uit het monster in dezelfde richting als de inkomende laserstraal.

Brener zei dat hij enthousiast is over dit apparaat omdat het is ontworpen om complexe webben van verstrengelde fotonen te produceren - niet slechts één paar tegelijk, maar meerdere paren die allemaal met elkaar verstrengeld zijn, en sommige die niet van elkaar te onderscheiden zijn. Sommige technologieën hebben deze complexe varianten van zogenaamde multi-entanglement nodig voor geavanceerde informatieverwerkingsschema's.

Andere miniatuurtechnologieën op basis van siliciumfotonica kunnen ook fotonen verstrengelen, maar zonder het hoognodige niveau van complexe, meervoudige verstrengeling. Tot nu toe was de enige manier om dergelijke resultaten te produceren met meerdere tafels vol lasers, gespecialiseerde kristallen en andere optische apparatuur.

"Het is behoorlijk gecompliceerd en nogal onhandelbaar wanneer deze multi-verstrengeling meer dan twee of drie paren nodig heeft," zei Brener. "Deze niet-lineaire meta-oppervlakken bereiken deze taak in wezen in één monster, terwijl daarvoor ongelooflijk complexe optische opstellingen nodig waren."

De Science-paper schetst hoe het team met succes hun meta-oppervlak heeft afgestemd om verstrengelde fotonen met verschillende golflengten te produceren, een cruciale voorloper voor het gelijktijdig genereren van verschillende paren ingewikkeld verstrengelde fotonen.

De onderzoekers merken in hun paper echter op dat de efficiëntie van hun apparaat - de snelheid waarmee ze groepen verstrengelde fotonen kunnen genereren - lager is dan die van andere technieken en moet worden verbeterd.

Wat is een meta-oppervlak?

Een meta-oppervlak is een synthetisch materiaal dat interageert met licht en andere elektromagnetische golven op een manier die conventionele materialen niet kunnen. Commerciële industrieën, zei Brener, zijn bezig met het ontwikkelen van meta-oppervlakken omdat ze minder ruimte innemen en meer met licht kunnen doen dan bijvoorbeeld een traditionele lens.

"Je kunt nu lenzen en dikke optische elementen vervangen door meta-oppervlakken," zei Brener. "Dit soort meta-oppervlakken zullen een revolutie teweegbrengen in consumentenproducten."

Sandia is een van de toonaangevende instellingen ter wereld die onderzoek doet naar meta-oppervlakken en metamaterialen. Tussen het Microsystems Engineering, Science and Applications-complex, dat samengestelde halfgeleiders produceert, en het nabijgelegen Center for Integrated Nanotechnologies, hebben onderzoekers toegang tot alle gespecialiseerde tools die ze nodig hebben om deze ambitieuze nieuwe materialen te ontwerpen, fabriceren en analyseren.

"Het werk was een uitdaging omdat het nauwkeurige nanofabricagetechnologie vereiste om de scherpe, smalbandige optische resonanties te verkrijgen die het kwantumproces van het werk zaaien", zegt Sylvain Gennaro, een voormalig postdoctoraal onderzoeker bij Sandia die aan verschillende aspecten van het project werkte.

Het apparaat is ontworpen, gefabriceerd en getest door een samenwerking tussen Sandia en een onderzoeksgroep onder leiding van natuurkundige Maria Chekhova, een expert in de kwantumverstrengeling van fotonen aan het Max Planck Institute for the Science of Light.

"Metasurfaces leiden tot een paradigmaverschuiving in de kwantumoptica, waarbij ultrakleine bronnen van kwantumlicht worden gecombineerd met verreikende mogelijkheden voor kwantumtoestand-engineering", zegt Tomás Santiago-Cruz, een lid van het Max Plank-team en eerste auteur van het artikel.

Brener, die al meer dan een decennium metamaterialen bestudeert, zei dat dit nieuwste onderzoek mogelijk een tweede revolutie zou kunnen veroorzaken - een die deze materialen niet alleen als een nieuw soort lens ziet ontwikkelen, maar als een technologie voor kwantuminformatieverwerking en andere nieuwe toepassingen .

"Er was een golf met meta-oppervlakken die al goed ingeburgerd is en onderweg is. Misschien komt er een tweede golf van innovatieve toepassingen", zei hij. + Verder verkennen

Metasurfaces bieden nieuwe mogelijkheden voor kwantumonderzoek