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 logrado crear pares de fotones en varias frecuencias diferentes utilizando metasuperficies resonantes.
Tomás Santiago-Cruz y Maria Chekhova del Instituto Max Planck de Ciencias de la Luz y la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, en cooperación con los Laboratorios Nacionales Sandia, han utilizado 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 áreas y tecnologías de investigación contemporáneas, 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 principales requisitos de 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 deban pasar los fotones tiene propiedades de dispersión, lo que impide la conservación del momento. Hay técnicas que aún logran la conservación necesaria, pero limitan en gran medida la versatilidad de los estados en los que se pueden producir pares de fotones. Por lo tanto, 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 una metasuperficie probada en este trabajo. Crédito: Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz
Producir pares de fotones con metasuperficies
Las metasuperficies son dispositivos ópticos planos ultrafinos hechos de conjuntos de nanorresonadores. Su grosor de sublongitud de onda de unos pocos cientos de nanómetros los hace efectivamente bidimensionales. Esto los hace mucho más fáciles de manejar que los voluminosos dispositivos ópticos tradicionales. Más importante aún, debido al menor espesor, la conservación del momento del fotón se relaja porque los fotones tienen que atravesar mucha menos materia que con los dispositivos ópticos tradicionales: según el principio de incertidumbre, el confinamiento en el espacio conduce a un pulso indefinido. Esto permite que ocurran múltiples procesos no lineales y cuánticos con eficiencias comparables y abre la puerta al uso de muchos materiales nuevos que no funcionarían en los elementos ópticos tradicionales.
Por esta razón, y también porque son compactas y más cómodas de manejar que los voluminosos elementos ópticos, las metasuperficies se convierten en fuentes de pares de fotones para experimentos cuánticos. Además, las metasuperficies podrían transformar simultáneamente fotones en múltiples 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, han dado otro paso para lograrlo. En un artículo publicado en el La ciencia 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 cierta longitud de onda se pueden emparejar con fotones en dos o más longitudes de onda diferentes simultáneamente. De esta forma, se pueden crear múltiples enlaces entre fotones de diferentes colores. 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 jugarán un papel clave en la futura investigación cuántica: “Las metasuperficies conducen a un cambio de paradigma en la óptica cuántica, combinando fuentes ultra pequeñas de luz cuántica con posibilidades ampliadas para la ingeniería cuántica”.
En el futuro, estas características se pueden usar para construir estados cuánticos muy grandes y complicados 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 la dirección tomada por su investigación: “Las fuentes de nuestros fotones son cada vez más pequeñas, mientras que sus posibilidades se expanden cada vez más”.
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, La ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.abq8684
