Настраиваемая запутанность фотонов на метаповерхностях: прорыв в квантовой оптике
В мире квантовых технологий способность контролировать и настраивать запутанные состояния фотонов — одна из ключевых задач. Запутанность, это удивительное явление, при котором квантовые частицы остаются взаимосвязанными независимо от расстояния, лежит в основе квантовой криптографии, вычислений и коммуникаций. Однако традиционные методы генерации запутанных пар фотонов часто ограничены жестко заданными параметрами, что затрудняет их практическое применение.
Новое исследование, опубликованное в Science Advances, предлагает революционный подход: ученые создали ультратонкую метаповерхность из фосфида индия-галлия (InGaP), которая не только генерирует пары фотонов с настраиваемой степенью запутанности, но и делает это с беспрецедентной скоростью — в пикосекундном масштабе. Этот метод, основанный на асимметрии кристаллической структуры, открывает путь к компактным и высокоэффективным квантовым устройствам, превосходящим классические аналоги.
Физические принципы и инновации
Ключевым элементом разработки стала метаповерхность из InGaP, выращенная в ориентации [110], что кардинально отличает ее от традиционных структур с ориентацией [100]. Эта кристаллическая асимметрия позволила исследователям использовать нелинейные оптические эффекты для расщепления фотонов накачки на пары квантово-запутанных фотонов.
Метаповерхность состоит из массива наностолбиков высотой 500 нм и диаметром менее 1 мкм, расположенных на подложке из диоксида кремния. Такая конструкция создает оптические резонансы, усиливающие генерацию пар фотонов. При облучении лазером фотон накачки преобразуется в два фотона с большей длиной волны — один распространяется в том же направлении, а другой в противоположном.
Уникальность системы заключается в ее асимметрии: подложка из SiO₂ нарушает симметрию, позволяя управлять степенью запутанности поляризации фотонов простым изменением длины волны накачки. Это невозможно в обычных нелинейных кристаллах, где запутанность фиксирована.
Экспериментальные результаты и перспективы
Эксперименты подтвердили, что метаповерхность не только обеспечивает высокую степень контроля над запутанностью, но и демонстрирует соотношение сигнал/шум, превосходящее существующие аналоги на два порядка. Более того, фотонные пары оказались гиперзапутанными — их поляризация и пространственные свойства были взаимосвязаны, что расширяет потенциал для многоканальной квантовой связи.
Важным преимуществом технологии является ее быстродействие: запутанность можно переключать за пикосекунды, что критически важно для динамических квантовых систем. Кроме того, толщина метаповерхности в тысячу раз меньше, чем у традиционных оптических элементов, что делает ее идеальной для интеграции в миниатюрные устройства.
Работа команды ученых представляет собой значительный шаг вперед в квантовой оптике. Использование асимметрии метаповерхностей для управления запутанностью открывает новые горизонты в проектировании квантовых источников света, криптографических систем и даже квантовых процессоров.
Этот подход может быть расширен на другие степени свободы, такие как орбитальный угловой момент фотонов, что позволит создавать еще более сложные гиперзапутанные состояния. В будущем подобные метаповерхности могут стать основой для компактных и масштабируемых квантовых технологий, приближая эру безопасной связи и сверхбыстрых вычислений.