Twee teams van wetenschappers van het Technion-Israel Institute of Technology hebben samengewerkt om baanbrekend onderzoek uit te voeren dat heeft geleid tot de ontwikkeling van een nieuw en innovatief wetenschappelijk veld:Quantum Metamaterials. De bevindingen worden gepresenteerd in een nieuw gezamenlijk artikel dat in het tijdschrift is gepubliceerd Wetenschap .

De studie werd gezamenlijk uitgevoerd door Distinguished Professor Mordechai Segev, van Technion's Physics Department en Solid State Institute en zijn team Tomer Stav en Dikla Oren, in samenwerking met prof. Erez Hasman van de faculteit Werktuigbouwkunde van Technion en zijn team Arkady Faerman, Elhanan Maguid, en Dr. Vladimir Kleiner. Beide groepen zijn ook aangesloten bij het Russell Berrie Nanotechnology Institute (RBNI).

De onderzoekers hebben voor het eerst aangetoond dat het mogelijk is om metamaterialen toe te passen op het gebied van kwantuminformatie en computers, daarmee de weg vrijmakend voor tal van praktische toepassingen, waaronder, onder andere, de ontwikkeling van onbreekbare encrypties, en het openen van de deur naar nieuwe mogelijkheden voor kwantuminformatiesystemen op een chip.

Metamaterialen zijn kunstmatig vervaardigde materialen, bestaande uit talrijke kunstmatige structuren op nanoschaal die zijn ontworpen om op verschillende manieren op licht te reageren. Metasurfaces zijn de tweedimensionale versie van metamaterialen:extreem dunne oppervlakken bestaande uit talrijke optische nanoantennes onder de golflengte, elk ontworpen om een ​​specifieke functie te vervullen bij de interactie met licht.

Terwijl tot op heden experimenteren met metamaterialen is grotendeels beperkt tot manipulaties met behulp van klassiek licht, de Technion-onderzoekers hebben voor het eerst aangetoond dat het experimenteel haalbaar is om metamaterialen te gebruiken als bouwstenen voor kwantumoptica en kwantuminformatie. Specifieker, de onderzoekers hebben het gebruik van metamaterialen aangetoond om verstrengeling te genereren en te manipuleren - wat het meest cruciale kenmerk is van elk kwantuminformatieschema.

"Wat we in dit experiment hebben gedaan, is het veld van metamaterialen naar het rijk van kwantuminformatie brengen, " zegt Dist. Prof. Moti Segev, een van de oprichters van de Helen Diller Quantum Science, Materie en Engineering Center op het Technion. "Met de technologie van vandaag, men kan materialen ontwerpen en fabriceren met elektromagnetische eigenschappen die bijna willekeurig zijn. Bijvoorbeeld, men kan een onzichtbaarheidsmantel ontwerpen en fabriceren die kleine dingen voor radar kan verbergen, of men kan een medium creëren waarbij het licht naar achteren buigt. Maar tot nu toe gebeurde dit allemaal met klassiek licht. Wat we hier laten zien, is hoe we de geweldige mogelijkheden van kunstmatige nano-ontworpen materialen kunnen benutten om kwantumlicht te genereren en te beheersen."

"Het belangrijkste onderdeel hier is een diëlektrisch meta-oppervlak, " zegt prof. Erez Hasman, "die op een andere manier werkt dan links- en rechtshandig gepolariseerd licht, door hen tegengestelde fasefronten op te leggen die eruitzien als schroeven of wervels, een met de klok mee en een tegen de klok in. Het meta-oppervlak moest nano-gefabriceerd zijn van transparante materialen, anders - als we metalen hadden opgenomen, zoals in de meeste experimenten met metamaterialen - de kwantumeigenschappen zouden worden vernietigd."

"Dit project begon in de geest van twee getalenteerde studenten - Tomer Stav en Arkady Faerman, " zeggen profs. Segev en Hasman, "die bij ons kwam met een grensverleggend idee. Het project leidt tot veel nieuwe richtingen die zowel fundamentele vragen oproepen als nieuwe toepassingsmogelijkheden, bijvoorbeeld, het maken van kwantuminformatiesystemen op een chip en het controleren van de kwantumeigenschappen bij het ontwerp."

In hun onderzoek hebben de wetenschappers voerden twee reeksen experimenten uit om verstrengeling tussen de spin en het baanimpulsmoment van fotonen te genereren. Fotonen zijn de elementaire deeltjes waaruit licht bestaat:ze hebben massa nul, reizen met de snelheid van het licht, en normaal gesproken niet met elkaar omgaan.

In de experimenten, de onderzoekers schenen eerst een laserstraal door een niet-lineair kristal om enkele fotonparen te creëren, elk gekenmerkt door nul orbitaal momentum en elk met lineaire polarisatie. Een foton in lineaire polarisatie betekent dat het een superpositie is van rechtshandige en linkshandige circulaire polarisatie, die overeenkomen met positieve en negatieve spin.

In het eerste experiment gingen de wetenschappers verder met het splitsen van de fotonparen - waarbij de ene door een uniek gefabriceerd meta-oppervlak werd geleid en de andere naar een detector om de komst van het andere foton aan te geven. Vervolgens maten ze het enkele foton dat door het meta-oppervlak ging en ontdekten dat het een baanimpulsmoment (OAM) had gekregen en dat het OAM verstrikt raakte met de spin.

Bij het tweede experiment de enkele fotonparen werden door het metaoppervlak geleid en gemeten met twee detectoren om aan te tonen dat ze verstrengeld waren geraakt:de spin van het ene foton was gecorreleerd met het baanimpulsmoment van het andere foton, en vice versa.

Verstrengeling betekent in feite dat de acties die op het ene foton worden uitgevoerd tegelijkertijd het andere beïnvloeden, zelfs wanneer verspreid over grote afstanden. In de kwantummechanica, fotonen worden verondersteld te bestaan ​​in zowel positieve als negatieve spintoestanden, maar eenmaal gemeten slechts één toestand aannemen.

Dit kan misschien het beste worden uitgelegd aan de hand van een eenvoudige analogie:neem twee dozen met elk twee ballen erin - een rode en een blauwe bal. Als de dozen niet verstrikt zijn, kun je in de doos reiken en een rode of een blauwe bal eruit halen. Echter, als de dozen verstrikt zouden raken, dan kan de bal in de doos rood of blauw zijn, maar wordt alleen bepaald op het moment dat de bal in één doos wordt waargenomen, tegelijkertijd ook de kleur van de bal in het tweede vak bepalen. Dit verhaal werd oorspronkelijk verteld door de beroemde Nobelprijswinnaar Erwin Schroedinger, het scenario van een kat in een doos presenteren, waar de kat zowel levend als dood is totdat de doos wordt geopend.

Wanneer het het metaoppervlak bereikt, de interactie tussen de spin (circulaire polarisatie) en baanimpulsmoment optreedt. Het verlaat het meta-oppervlak in een verstrengelde staat met een enkel foton; de positieve spin (in rood weergegeven door de amplitude van het elektrische veld) en het tegen de klok in orbitale impulsmoment (in rood weergegeven door de fase vortex) is verstrengeld met de negatieve spin (blauw) en de klok mee orbitale impulsmoment (blauw). Animatie tegoed:Ella Maru Studio

Al meer dan een eeuw, het Technion-Israel Institute of Technology is een pionier op het gebied van wetenschappelijk en technologisch onderwijs en heeft een wereldveranderende impact gehad. Met trots een wereldwijde universiteit, de Technion maakt al lang gebruik van grensoverschrijdende samenwerkingen om baanbrekend onderzoek en technologieën te bevorderen. Nu met een aanwezigheid in drie landen, de Technion zal de volgende generatie van wereldwijde innovators voorbereiden. technische mensen, ideeën en uitvindingen leveren onmetelijke bijdragen aan de wereld, innoveren op gebieden van kankeronderzoek en duurzame energie tot kwantumcomputing en informatica, om goed te doen over de hele wereld.