Quantum nanofotonica is een actief onderzoeksveld met opkomende toepassingen die variëren van kwantumcomputing tot beeldvorming en telecommunicatie. Dit heeft wetenschappers en ingenieurs gemotiveerd om bronnen te ontwikkelen voor verstrengelde fotonen die kunnen worden geïntegreerd in fotonische circuits op nanoschaal. Praktische toepassing van apparaten op nanoschaal vereist een hoge generatiesnelheid van fotonenparen, kamertemperatuur werking, en verstrengelde fotonen die op een gerichte manier worden uitgezonden op telecommunicatiegolflengten.

De meest gebruikelijke manier om verstrengelde fotonen te maken, is door een proces dat bekend staat als Spontane Parametrische Downconversie (SPDC), waarbij een enkel foton wordt gesplitst in twee verstrengelde fotonen met lagere frequenties, bekend als het signaal en de leegloper. Conventionele benaderingen voor SPDC zijn gebaseerd op omvangrijke apparaten die tot enkele centimeters lang zijn en niet optimaal zijn voor fotonische circuitintegratie. Omgekeerd, op nanoschaal, de efficiëntie van het SPDC-proces wordt belemmerd door het kleine volume van de resonatoren, en de directionaliteit van de uitgezonden fotonen is een uitdaging om te controleren.

Diëlektrische meta-oppervlakken bieden een veelbelovende route om SPDC-fotonenemissie te verbeteren en aan te passen. Daten, echter, meta-oppervlakken hebben relatief lage kwaliteitsfactor Mie-resonanties gebruikt en hebben een dienovereenkomstig breed emissiespectrum, die de spectrale helderheid van fotonen beperkt. Nieuw onderzoek onthult dat uitgebreide Bound States in the Continuum (BIC)-resonanties het mogelijk maken om modi in het meta-oppervlak te benutten die factoren van zeer hoge kwaliteit hebben. Dit betekent op zijn beurt dat de generatie van fotonenparen in de resonatoren met vele ordes van grootte wordt verbeterd en dat de golflengte van de fotonen een zeer smalle bandbreedte zal hebben. Dit resulteert in een zeer hoge spectrale helderheid, wat gunstig is voor kwantumnetwerktoepassingen.

Zoals gemeld in Geavanceerde fotonica , een internationaal team van onderzoekers van de Australian National University (Matthew Parry, Dragomir N. Neshev, en Andrey A. Sukhorukov), Politecnico di Milano (Andrea Mazzanti en Giuseppe Della Valle) en ITMO Universiteit van St. Petersburg (Alexander Poddubny) hebben onlangs een verbeterde generatie van niet-ontaarde fotonparen in niet-lineaire meta-oppervlakken aangetoond. In een reeks uitgebreide simulaties, ze gebruikten afzonderlijke BIC's op enigszins verschillende golflengten voor het signaal en de inactieve fotonen in SPDC, waardoor ze de helderheid van verstrengelde fotonen met vijf orden van grootte konden verbeteren ten opzichte van die van een niet-patroon dunne film van niet-lineair materiaal. Ze schrijven deze verbetering grotendeels toe aan het nieuwe fenomeen van hyperbolische transversale fase-aanpassing, die efficiënte fotonengeneratie mogelijk maakt over een breed scala aan fotonmomentums.

Hun voorgestelde methode maakt niet alleen het genereren van fotonparen mogelijk die kwantumverstrengeld zijn, maar door simpelweg de lineaire polarisatie van de pomplaser te veranderen, is het mogelijk om de polarisatieverstrengeling van de fotonen af ​​te stemmen van volledig naar geen. Dit is een eenvoudig te implementeren manier om de verstrengeling te beheersen, zodat het voldoet aan de vereisten van toekomstige toepassingen. Het voorgestelde platform is ook zeer configureerbaar met betrekking tot zowel de golflengte van het signaal en de inactieve fotonen als de gebruikte BIC's, wat het potentieel opent voor het ontwerpen van de richting waarin fotonen worden uitgezonden.

De onderzoekers, wiens werk wordt ondersteund door de Australian Research Council en door het Horizon 2020-programma van de Europese Commissie, zeggen dat hun opmars een belangrijke stap is in de richting van geminiaturiseerde kwantumapparaten voor alledaagse toepassingen.