Une nouvelle plate-forme matérielle a permis aux scientifiques de créer des paires de photons dont l'intrication peut être réglée à partir d'un calque plus mince qu'un cheveux humains.
Les paires de photons sont créées par une métasurface en phosphure d'indium gallium (INGAP), qui a une réponse non linéaire qui peut diviser un photon classique en deux photons quantiques. En réglant la longueur d'onde du photon initial, les deux nouveaux photons peuvent être générés comme complètement enchevêtrés par leur polarisation, non enchevêtrés du tout, ou toute valeur entre les deux, avec un contrôle picoseconde.
Le processus tire parti de l'asymétrie de la surface, a déclaré le chef du groupe de recherche, le professeur Andrey Sukhorukov.
« C'est un nouveau principe de physique passionnant pour la préparation des états quantiques accordables. L'importance de l'asymétrie dans les processus non linéaires est bien appréciée, mais c'est la première fois qu'elle est appliquée à la génération de paires de photons enchevêtrées », a déclaré le professeur Sukhorukov, dont l'équipe est du Département de l'ingénierie électronique des matériaux (TMO).
Les paires de photons enchevêtrées accordables sont un ingrédient crucial pour la communication quantique sécurisée et le cryptage, et c'est le premier travail à tirer parti de la miniaturisation des métasurfaces pour obtenir une accordabilité.
L'œuvre est publiée dans Avancées scientifiqueset détaille comment le processus crée des résonances optiques pour stimuler la production de paires de photons.
La clé du nouveau processus est le processus de fabrication de la métasurface, a déclaré le co-auteur et chercheur EME / TMOS, le Dr Tuomas Haggren.
« Nous regardions les matériaux et avons réalisé que les propriétés de l'INGAP étaient prometteuses – coefficient non linéaire de BIG, une bande interdite large et transparente aux longueurs d'onde rouges. »
En examinant les travaux antérieurs avec INGAP, le Dr Haggren est tombé sur une torsion – littéralement. Des expériences dans les années 80 ont exploré en utilisant une orientation cristalline différente, pour tirer parti de différentes propriétés non linéaires qui se produisent dans différentes directions.
Il a donc expérimenté la rotation de la croissance du réseau cristallin, en utilisant la croissance épitaxiale à l'installation de fabrication nationale australienne. Finalement, il a perfectionné une méthode qui a créé une métasurface qui avait la structure cristalline INGAP alignée dans l'orientation (110), contrairement à l'orientation (100) plus courante, pour laquelle les conditions non linéaires requises étaient presque complètement absentes.
Pour s'appuyer sur les propriétés non linéaires de l'orientation (110), l'équipe a voulu générer des résonances optiques pour améliorer l'efficacité.
« La modélisation a montré que les meilleures conditions pour une résonance optique étaient avec une conception de métasurface en utilisant un tableau de piliers de 500 nm de haut, un peu moins de 1 µm de diamètre, espacés de 1 µm de distance, assis sur un substrat de dioxyde de silicium », a déclaré l'auteur co-lead et l'EME / TMOS Ph.D. Étudiant, fan de Tongmiao.
Un laser de pompe a été injecté à 90 degrés à la métasurface par rapport au-dessus ou en dessous, stimulant la conversion en baisse d'un photon de pompe en deux photons de longueur d'onde plus longs (conversion en baisse à un seul photon); un dans le même sens que la pompe et un contre-propagation.
En plus d'être plus de mille fois plus mince que l'optique conventionnelle de conversion en baisse, la métasurface a une caractéristique puissante: l'asymétrie.
Les deux nouveaux photons voient des conditions asymétriques en raison du substrat de dioxyde de silicium monoplanché, ce qui signifiait que les paires de photons pouvaient être asymétriques, au lieu d'avoir un état enchevêtré symétrique fixe. Ce mécanisme n'a pas pu être réalisé avec des cristaux non linéaires non structurés conventionnels.
La quantité d'enchevêtrement dépendait de la longueur d'onde du laser de la pompe par rapport à la résonance optique: en changeant le désaccord, l'intrication des deux photons pourrait être modifiée de complètement enchevêtrée à non empêtrée du tout.
L'équipe était ravie que leurs expériences aient démontré le comportement modélisé, avec un rapport signal / bruit surpassant l'optique plate semi-conductrice existante de deux ordres de grandeur, a déclaré l'auteur co-dirigé, le Dr Jinyong MA, également d'EME et de TMOS.
« Il est non trivial de générer un enchevêtrement de polarisation à partir des métasurfaces – nous devons assurer des chevauchements spatiaux et spectraux élevés entre les différents processus quantiques. Le processus a besoin de résonances optiques proches d'une bande plate, et en tirant parti des résonances localisées, nous avons bénéficié de l'indice à renfort élevé de l'INGAP », a déclaré le Dr Ma.
« La nouveauté de notre travail est de développer une nouvelle approche physique pour atteindre le réglage de l'enchevêtrement de polarisation en modifiant la longueur d'onde de la pompe, qui surmonte les limites des matériaux non structurés. »
En plus d'une polarisation enchevêtrée, les paires de photons ont également été enchevêtrées spatialement – en ayant deux propriétés enchevêtrées, elles sont considérées comme «hyperentanglées».
Et comme les paires de sortie peuvent être modifiées aussi rapidement que la longueur d'onde de la pompe peut être réglée, l'intrication peut être réglée avec un contrôle picoseconde.
« Il ouvre de nouvelles possibilités dans la conception des métasurfaces – l'approche pourrait être utilisée pour d'autres degrés de liberté, ou plusieurs degrés de liberté, pour créer un hyperentangement », a déclaré le professeur Sukhurokov.
