Metasurfaces Offer New Possibilities for Quantum Research

Metasuperficies resonantes ofrecen emocionantes nuevas posibilidades para la investigación cuántica


Los fotones de bombeo pasan a través de una metasuperficie resonante y producen pares de fotones entrelazados en diferentes longitudes de onda. Crédito: Santiago-Cruz et al., Science 377:6609, 991-995 (2022))

Los científicos han creado con éxito pares de fotones en varias frecuencias diferentes utilizando metasuperficies resonantes.

Tomás Santiago-Cruz y Maria Chekhova del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz y la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, en cooperación con los Laboratorios Nacionales Sandia, utilizaron con éxito metasuperficies resonantes para crear pares de fotones en varias frecuencias diferentes.

Un fotón es el cuanto (la cantidad mínima involucrada en una interacción) de cualquier forma de radiación electromagnética, como la luz. Los fotones son esenciales para una serie de campos de investigación y tecnologías contemporáneos, incluida la ingeniería de estado cuántico, que a su vez representa la piedra angular de todas las tecnologías fotónicas cuánticas. Con la ayuda de la fotónica cuántica, los ingenieros y científicos están trabajando para crear nuevas tecnologías, como nuevos tipos de supercomputadoras y nuevas formas de encriptación para canales de comunicación altamente seguros.

La creación de pares de fotones es uno de los requisitos clave para la ingeniería cuántica de estados. Tradicionalmente, esto se ha logrado mediante el uso de uno de los dos efectos no lineales, la conversión descendente paramétrica espontánea (SPDC) o la mezcla espontánea de cuatro ondas (SFWM), en elementos ópticos a granel. Los efectos no lineales hacen que uno o dos fotones de bombeo decaigan espontáneamente en un par de fotones.

Sin embargo, estos efectos requieren una estricta conservación del momento de los fotones involucrados. Cualquier material por el que los fotones tengan que atravesar tiene propiedades de dispersión, lo que impide la conservación del impulso. Hay técnicas que aún logran la conservación necesaria, pero limitan severamente la versatilidad de los estados en los que se pueden producir los pares de fotones. Como consecuencia, aunque los elementos ópticos tradicionales como los cristales no lineales y las guías de ondas han producido con éxito muchos estados cuánticos fotónicos, su uso es limitado y engorroso. Por lo tanto, los investigadores han centrado recientemente su atención en las llamadas metasuperficies ópticas.

Micrografía electrónica de barrido de metasuperficie

Micrografía electrónica de barrido de una metasuperficie probada en este trabajo. Crédito: Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz

Producción de pares de fotones con metasuperficies

Las metasuperficies son dispositivos ópticos planos ultrafinos formados por conjuntos de nanorresonadores. Su grosor de sublongitud de onda de unos pocos cientos de nanómetros los convierte efectivamente en bidimensionales. Eso los hace mucho más fáciles de manejar que los voluminosos dispositivos ópticos tradicionales. Aún más importante, debido al menor espesor, la conservación del momento de los fotones se relaja porque los fotones tienen que viajar a través de mucho menos material que con los dispositivos ópticos tradicionales: según el principio de incertidumbre, el confinamiento en el espacio conduce a un momento indefinido. Esto permite que ocurran múltiples procesos no lineales y cuánticos con eficiencias comparables y abre la puerta para el uso de muchos materiales nuevos que no funcionarían en los elementos ópticos tradicionales.

Por esta razón, y también por ser compactas y más prácticas de manejar que los voluminosos elementos ópticos, las metasuperficies se están convirtiendo en fuentes de pares de fotones para experimentos cuánticos. Además, las metasuperficies podrían transformar simultáneamente fotones en varios grados de libertad, como polarización, frecuencia y trayectoria.

Tomás Santiago-Cruz y Maria Chekhova del Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz y la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg en cooperación con el grupo de investigación de Igal Brener en los Laboratorios Nacionales Sandia en Albuquerque, Nuevo México, ahora han dado un nuevo paso en lograr precisamente eso. En un artículo publicado en el Ciencias Journal el 25 de agosto, Chekhova y sus colegas demostraron por primera vez cómo las metasuperficies producen pares de fotones de dos longitudes de onda diferentes.

Además, los fotones de una determinada longitud de onda se pueden emparejar con fotones de dos o más longitudes de onda diferentes simultáneamente. De esta manera, se pueden crear múltiples enlaces entre fotones de diferente color. Además, las resonancias de la metasuperficie aumentan la tasa de emisión de fotones en varios órdenes de magnitud en comparación con fuentes uniformes del mismo espesor. Tomás Santiago-Cruz cree que las metasuperficies desempeñarán un papel clave en la investigación cuántica del futuro: “Las metasuperficies están conduciendo a un cambio de paradigma en la óptica cuántica, combinando fuentes ultrapequeñas de luz cuántica con posibilidades de gran alcance para la ingeniería cuántica de estados”.

En el futuro, estas características se pueden utilizar para construir estados cuánticos complicados muy grandes, que son necesarios para la computación cuántica. Además, el perfil delgado de las metasuperficies y su operación multifuncional permiten el desarrollo de dispositivos compactos más avanzados, combinando la generación, transformación y detección de estados cuánticos. Maria Chekhova está entusiasmada con el camino que ha tomado su investigación: “Las fuentes de nuestros fotones son cada vez más pequeñas y, al mismo tiempo, sus posibilidades son cada vez más amplias”.

Referencia: “Metasuperficies resonantes para generar estados cuánticos complejos” por Thomas Santiago-Cruz, Sylvain D. Gennaro, Oleg Mitrofanov, Sadhvikas Addamane, John Reno, Igal Brener y Maria V. Chekhova, 25 de agosto de 2022, Ciencias.
DOI: 10.1126/ciencia.abq8684

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