Een team van wetenschappers van het Los Alamos National Laboratory stelt voor dat gemoduleerde kwantummeta-oppervlakken alle eigenschappen van fotonische qubits kunnen controleren, een doorbraak die van invloed kan zijn op de velden van kwantuminformatie, communicatie, voelen en in beeld brengen, evenals het oogsten van energie en momentum. De resultaten van hun onderzoek werden gisteren in het tijdschrift gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven , gepubliceerd door de American Physical Society.

"Mensen hebben lange tijd klassieke meta-oppervlakken bestudeerd, " zegt Diego Dalvit, die werkt in de groep gecondenseerde materie en complexe systemen van de theoretische afdeling van het laboratorium. "Maar we kwamen met dit nieuwe idee, die in tijd en ruimte de optische eigenschappen van een kwantummeta-oppervlak moest moduleren waarmee we kunnen manipuleren, op aanvraag, alle vrijheidsgraden van een enkel foton, dat is de meest elementaire eenheid van licht."

Metasurfaces zijn ultradunne structuren die licht kunnen manipuleren op manieren die gewoonlijk niet in de natuur worden gezien. In dit geval, het team ontwikkelde een meta-oppervlak dat eruitzag als een reeks gedraaide kruisen, die ze vervolgens kunnen manipuleren met lasers of elektrische pulsen. Ze stelden toen voor om een ​​enkel foton door het meta-oppervlak te schieten, waar het foton splitst in een superpositie van vele kleuren, paden, en draaiende staten die allemaal met elkaar verweven zijn, het genereren van zogenaamde kwantumverstrengeling - wat betekent dat het enkele foton in staat is om al deze verschillende eigenschappen tegelijk te erven.

"Als het meta-oppervlak wordt gemoduleerd met laser of elektrische pulsen, men kan de frequentie van het gebroken enkele foton regelen, de baanhoek veranderen, de richting van zijn elektrisch veld, evenals zijn draai, ", zegt Abul Azad van het Center for Integrated Nanotechnologies van de afdeling Materials Physics and Applications van het laboratorium.

Door deze eigenschappen te manipuleren, deze technologie kan worden gebruikt om informatie te coderen in fotonen die binnen een kwantumnetwerk reizen, alles van banken, kwantumcomputers, en tussen de aarde en satellieten. Het coderen van fotonen is met name wenselijk op het gebied van cryptografie omdat "afluisteraars" een foton niet kunnen zien zonder de fundamentele fysica ervan te veranderen, die, indien gedaan, de afzender en ontvanger zou waarschuwen dat de informatie is gecompromitteerd.

De onderzoekers werken ook aan hoe fotonen uit een vacuüm kunnen worden getrokken door het kwantummeta-oppervlak te moduleren.

"Het kwantumvacuüm is niet leeg maar vol vluchtige virtuele fotonen. Met het gemoduleerde kwantummeta-oppervlak is men in staat om virtuele fotonen efficiënt te extraheren en om te zetten in echte fotonparen, " zegt Wilton Kort-Kamp, die werkt in de Theoretical Division van de groep Condensed Matter and Complex Systems van het Lab.

Het benutten van fotonen die in het vacuüm bestaan ​​en ze in één richting schieten, zou voortstuwing in de tegenovergestelde richting moeten creëren. evenzo, het vacuüm roeren zou een rotatiebeweging van de gedraaide fotonen moeten creëren. Gestructureerd kwantumlicht zou dan ooit kunnen worden gebruikt om mechanische stuwkracht te genereren, met slechts kleine hoeveelheden energie om het meta-oppervlak aan te drijven.