Illustration artistique d’un métalène multifonctionnel utilisé pour la mise en forme arbitraire de l’émission quantique du nitrure de bore hexagonal 2D. Crédit : Chi Li, Jaehyuck Jang, Trevon Badloe, Tieshan Yang, Joohoon Kim, Jaekyung Kim, Minh Nguyen, Stefan A. Maier, Junsuk Rho, Haoran Ren, Igor Aharonovich
Les scientifiques ont développé un métalène multifonctionnel capable de structurer les émissions quantiques d’un seul photon émetteurs. Cette innovation permet la manipulation des émissions quantiques et promet de nouvelles avancées dans la technologie quantique, y compris des impacts potentiels sur la cryptographie et la sécurité de l’information.
L’émission quantique est essentielle à la réalisation des technologies photoniques quantiques. Les émetteurs de photons uniques (SPE) à l’état solide, tels que les défauts de nitrure de bore hexagonal (hBN), fonctionnent à température ambiante. Ils sont très recherchés en raison de leur robustesse et de leur luminosité. La manière conventionnelle de collecter les photons des SPE repose sur une lentille d’objectif à grande ouverture numérique (NA) ou sur des antennes microstructurées. Bien que l’efficacité de la collecte de photons puisse être élevée, ces outils ne peuvent pas manipuler les émissions quantiques. Plusieurs éléments optiques volumineux, tels que des polariseurs et des plaques de phase, sont nécessaires pour obtenir toute structuration souhaitée de la source de lumière quantique émise.
Développement de Metalens Multifonctionnels
Dans un nouvel article publié récemment dans la revue eLight, une équipe internationale de scientifiques dirigée par les Drs. Chi Li et Haoran Ren de l’Université Monash ont développé un nouveau métalène multifonctionnel pour structurer les émissions quantiques des SPE. La capacité de transformer arbitrairement un faisceau optique en différentes formes spatiales est essentielle pour les sources de lumière quantique.
Transformer la conception photonique avec les métasurfaces
Les métasurfaces ont transformé le paysage de la conception photonique. Il a conduit à des avancées technologiques majeures allant de l’imagerie optique et de l’holographie au LiDAR et à la détection moléculaire. Récemment, l’intégration directe de à l’échelle nanométrique émetteurs dans des résonateurs nanostructurés et des métasurfaces a été conçu pour collecter et démontrer l’adaptation de base de l’émission des SPE. Ces premières démonstrations ont constitué la nécessité pour l’optique plate de faire progresser la manipulation de l’émission quantique.
Ingénierie et démonstration de nouveaux métaux
L’équipe de recherche s’est penchée sur ce problème en concevant et en fabriquant un métalène multifonctionnel. Le nouveau métalène a été fabriqué par les physiciens coréens Drs. Jaehyuck Jang et Trevon Badloe et le professeur Junsuk Rho à l’Université des sciences et technologies de Pohang. Il peut simultanément adapter les degrés de liberté de la directivité, de la polarisation et du moment angulaire orbital (OAM). Ils ont utilisé les métalènes pour démontrer une structuration multidimensionnelle de l’émission quantique des SPE dans hBN, fonctionnant à température ambiante.
Percée dans la mise en forme de l’émission quantique
L’équipe a démontré une mise en forme arbitraire de la directionnalité de l’émission quantique. Ils ont également montré que différents fronts d’onde hélicoïdaux pouvaient être ajoutés au profil des métalens, conduisant à la génération de modes OAM distinctifs dans les polarisations orthogonales des SPE. Le travail expérimental révolutionnaire a été réalisé à l’Université de technologie de Sydney et au TMOS (un centre d’excellence du Conseil australien de la recherche) dirigé par le professeur Igor Aharonovich.
Potentiel et impact de la nouvelle technologie
La mise en forme arbitraire du front d’onde démontrée de l’émission quantique à plusieurs degrés de liberté pourrait libérer tout le potentiel des SPE à l’état solide à utiliser comme sources quantiques de haute dimension pour des applications photoniques quantiques avancées.
La nouvelle technologie de l’équipe offre une nouvelle plate-forme pour utiliser des méta-optiques ultra-minces pour la mise en forme arbitraire du front d’onde de l’émission quantique à plusieurs degrés de liberté à température ambiante. Cela pourrait fournir de nouvelles perspectives dans le domaine de la science de l’information quantique. L’équipe pense que la manipulation des polarisations des photons peut avoir un impact significatif sur la cryptographie quantique et la distribution de l’intrication avec un filtrage amélioré. La séparation de polarisation est vitale pour l’utilisation future des SPE hBN pour la génération de paires de photons intriqués par polarisation.
Extensions futures et implications
L’extension future des métalènes pourrait permettre la génération d’états quantiques hybrides à photon unique de haute dimension. Toute intégration future de sources SPE structurées avec un environnement de transmission fiable, comme les fibres optiques, pourrait promettre un réseau quantique avec une capacité d’information plus élevée, une robustesse au bruit et une meilleure sécurité.
