Onderzoekers hebben voor het eerst een kwantumlichtbron gedemonstreerd op basis van een array van metalen lenzen. De aanpak biedt een veelbelovend platform voor zowel hoogdimensionale fotonenverstrengeling als de coherente controle van meerdere fotonen, waardoor het geschikt is voor het bevorderen van kwantumtechnologieën voor veilige communicatie, computergebruik, en andere toepassingen.

Het werk maakt gebruik van de mogelijkheid om licht te regelen met kleine, nauwkeurig gerangschikte nano-/microstructuren in patronen op een optisch oppervlak. Het resultaat wordt een meta-oppervlak genoemd. Din Ping Tsai van de Hong Kong Polytechnic University zal het onderzoek presenteren op het virtuele OSA Advanced Photonics Congress dat van 26-30 juli wordt gehouden. Tsai's talk is gepland op 27 juli van 19:00-19:15 EDT (UTC-04:00).

"Onze resultaten geven aan dat een meta-oppervlak een route kan bieden voor het genereren en controleren van complexe kwantumtoestanden, niet alleen de dimensionaliteit van het kwantumsysteem vergroten, maar ook de coherente controle van meerdere fotonen mogelijk maken, waardoor een compact en praktisch platform wordt geboden voor de ontwikkeling van geavanceerde on-chip kwantumfotonische informatieverwerking, ' zei Tsai.

Quantumtechnologieën kunnen informatie coderen met behulp van fotonen, de basiseenheid van licht. Terwijl een klassieke computer informatie codeert met slechts twee toestanden, 0 en 1, kwantumapparaten coderen informatie in de relaties tussen fotonen. Een enkel paar verstrengelde fotonen kan meerdere kwantumtoestanden bevatten, waardoor ze veel meer informatie kunnen bevatten dan klassieke digitale systemen.

In het nieuwe werk Tsai en collega's creëerden een kwantumlichtbron die 100 paar verstrengelde fotonen genereert die gekoppeld en op elkaar gesuperponeerd zijn. Door gelijktijdig verstrengelde fotonparen te genereren, de aanpak kan worden gebruikt om grote hoeveelheden informatie in een kleine chip te coderen.

Om dit te behalen, de onderzoekers combineerden een meta-lens array, een type meta-oppervlak dat kleine antennes gebruikt om het golffront van het licht precies te bepalen, met een niet-lineair kristal (BaB ₂ O ₄ ) om een ​​foton met hogere energie om te zetten in een paar verstrengelde fotonen met lagere energie met behulp van spontane parametrische neerwaartse conversie. De metalen lens, gemaakt met een geavanceerd nanofabricageproces, bestaat uit een reeks galliumnitride (GaN) nanopijlers van 800 nm hoog. Licht wordt van een laser door de 10x10 meta-lens-array gepompt en vervolgens door het niet-lineaire kristal, het genereren van 100 verstrengelde fotonparen.

Omdat de kwantumverstrengeling tussen fotonen afhankelijk is van het ontwerp van het meta-oppervlak, de onderzoekers zeggen dat deze benadering meer flexibiliteit biedt bij het manipuleren van licht dan bestaande kwantumbronnen, nieuwe wegen openen voor kwantumoptische technologieën.

"Onze op metalens-array gebaseerde kwantumfotonenbron is compact, stal, en controleerbaar, wat wijst op een nieuw platform voor geïntegreerde kwantumapparaten, ' zei Tsai.

De onderzoekers verifieerden de resulterende kwantumtoestanden in twee, drie en vier dimensies met getrouwheid van 98,4%, 96,6% en 95,0%, respectievelijk. Ze bevestigden ook dat de bron een goede foton-ononderscheidbaarheid heeft, een belangrijk kenmerk voor multi-foton kwantumbronnen, evenals de juiste afhankelijkheden van de macht.

Dit opwindende nieuwe onderzoek kan de kwantuminformatiewetenschap in de toekomst helpen bij het realiseren van vele toepassingen in ons dagelijks leven, zoals quantum-enabled beveiligde mobiele communicatie, e-mailtoegang, online transacties, girale betalingen, Geldautomaten en e-banking, evenals computertaken op hoog niveau, zoals machine learning, kunstmatige intelligentie, en neurale netwerken. Het onderzoeksteam van prof. Tsai zet zich in om hun werk aan kwantumtoepassingen op basis van meta-optica voort te zetten.