Metasurfaces zijn kunstmatige materialen ontworpen op nanoschaal, die de verstrooiing van licht met uitzonderlijk hoge precisie kan regelen. In de afgelopen tien jaar of zo, deze materialen zijn gebruikt om een ​​verscheidenheid aan technologische hulpmiddelen te creëren, variërend van sensoren tot lenzen en beeldvormingstechnieken.

Een onderzoeksteam onder leiding van Mikhail Lukin van de Harvard University heeft onlangs een nieuw type meta-oppervlak voorgesteld dat zowel de ruimte-tijd- als kwantumeigenschappen van doorgelaten en gereflecteerd licht kan regelen. In een paper gepubliceerd in Natuurfysica , het team toonde aan dat het realiseren van een kwantummeta-oppervlak mogelijk is en kan worden bereikt door de macroscopische respons van dunne atoomarrays op licht te verstrengelen.

"Kwantummeta-oppervlakken zijn een geheel nieuw type materiaal dat atoom voor atoom is ontworpen, die toepassingen mogelijk maken zoals kwantumberekening met fotonen, Rivka Bekenstein, de hoofdauteur van het recente artikel, vertelde Phys.org. "We hebben een geavanceerde techniek gecombineerd om de toestand van veel atomen te manipuleren door middel van langeafstandsinteracties (d.w.z. Rydberg-interacties) met een recente ontdekking van hoe een enkele laag atomen licht kan reflecteren. We hebben een architectuur geïdentificeerd die in het laboratorium kan worden gerealiseerd, waarin een enkele laag atomen kan fungeren als een schakelbare kwantumspiegel."

Als onderdeel van hun studie hebben Bekenstein en haar collega's hebben verschillende kwantummeta-oppervlakken beoordeeld die kunnen worden gecontroleerd om verschillende lichtverstrooiingseigenschappen te hebben. Een van de meest prominente bronnen voor de ontwikkeling van kwantumtechnologieën zijn verstrengelde toestanden, die unieke toestanden zijn die alleen bestaan ​​voor kwantumentiteiten. Het door de onderzoekers voorgestelde kwantummetamateriaal maakt de productie mogelijk van specifieke verstrengelde toestanden van veel lichtdeeltjes (d.w.z. fotonen), die bijzonder waardevol zijn voor toepassingen voor het verwerken van kwantuminformatie.

In bepaalde omgevingsomstandigheden kan atomen kunnen worden gemanipuleerd om transparant te worden met behulp van externe elektrische velden. Recente studies hebben ook aangetoond dat een enkele laag atomen licht kan weerkaatsen, lijkt op een gewone spiegel.

Door gebruik te maken van Rydberg-interacties die van nature voorkomen in atomaire systemen, Bekenstein en haar collega's konden een schema identificeren waarin een enkele laag atomen tegelijkertijd licht reflecteert en doorlaat in een kwantumsuperpositie. Met andere woorden, het resulterende kwantummeta-oppervlak kan zowel transparant worden als licht reflecteren, als een spiegel.

"In de kwantummechanica, entiteiten kunnen naast elkaar bestaan ​​in verschillende staten - dit wordt een superpositiestaat genoemd, " Zei Bekenstein. "Ons kwantummetasurface is een nieuw type materiaal dat licht in twee verschillende richtingen naast elkaar kan laten bestaan. Dit wordt gedaan door de toestand van de atomen te manipuleren en vervolgens met een zwakke laser te schijnen om ze te verspreiden."

De ontwerpstrategie van Bekenstein en haar collega's induceert kwantumverstrengeling tussen verschillende meta-oppervlakken en licht, evenals tussen individuele lichtdeeltjes. Opmerkelijk, de architectuur die ze voorstelden, zou ook kunnen worden gemanipuleerd om verschillende hoeveelheden fotonen in verstrengelde toestanden te hebben, wat een cruciaal vermogen is voor de meeste kwantumtoepassingen, inclusief kwantumcomputers.

Door middel van een reeks kwantitatieve berekeningen, analyseerden de onderzoekers hoe hun meta-oppervlak kwantumoperaties tussen atomen en fotonen mogelijk maakt, waardoor het mogelijk wordt om sterk verstrengelde fotonische toestanden te genereren die ideaal zijn voor toepassingen voor kwantuminformatieverwerking.

"Een belangrijk voordeel van onze architectuur is dat er in het laboratorium slechts één atoom in een kwantumsuperpositietoestand hoeft te worden voorbereid, "Zei Bekenstein. "Honderden atomen bouwen het kwantummeta-oppervlak, maar er hoeft er maar één te worden gemanipuleerd op het kwantummechanische niveau, die dit voorstel praktisch maken. Dit wordt mogelijk gemaakt door de lange-afstandsinteractie die we in het schema gebruiken, die van nature bestaat voor atomen in specifieke energieniveaus."

Opmerkelijk, de recente studie van Bekenstein en haar collega's introduceert een techniek om kwantumcontrole te krijgen over de reactie van macroscopische materialen op licht. Deze techniek zou de weg kunnen banen voor de ontwikkeling van een geheel nieuw type kwantummaterialen, terwijl het ook mogelijk een revolutie teweegbrengt in het huidige begrip van kwantum optische materialen en hun reactie op licht.

"We onderzoeken momenteel aanvullende experimentele systemen die de door ons voorgestelde kwantummeta-oppervlakken kunnen realiseren, "Zei Bekenstein. "We zijn ook geïnteresseerd in het onthullen van de niet-lineaire respons van deze kwantummeta-oppervlakken op licht, die optreden bij lichtstralen met een hogere intensiteit. Eindelijk, we onderzoeken specifieke praktische toepassingen van de voorgestelde kwantummeta-oppervlakken voor de verwerking van kwantuminformatie."

© 2020 Wetenschap X Netwerk