Les métasurfaces sont des matériaux artificiels conçus à l'échelle nanométrique, qui peut contrôler la diffusion de la lumière avec une précision exceptionnellement élevée. Au cours de la dernière décennie, ces matériaux ont été utilisés pour créer une variété d'outils technologiques allant des capteurs aux lentilles et aux techniques d'imagerie.

Une équipe de recherche dirigée par Mikhail Lukin à l'Université Harvard a récemment proposé un nouveau type de métasurface qui peut contrôler à la fois les propriétés spatiotemporelles et quantiques de la lumière transmise et réfléchie. Dans un article publié en Physique de la nature , l'équipe a montré que la réalisation d'une métasurface quantique est possible et pourrait être réalisée en enchevêtrant la réponse macroscopique de minces réseaux d'atomes à la lumière.

"Les métasurfaces quantiques sont un tout nouveau type de matériaux conçus atome par atome, qui permettent des applications telles que le calcul quantique avec des photons, " Rivka Bekenstein, l'auteur principal du récent article, dit Phys.org. "Nous avons combiné une technique de pointe pour manipuler l'état de nombreux atomes par des interactions à longue distance (c'est-à-dire, Interactions de Rydberg) avec une découverte récente de la façon dont une seule feuille d'atomes peut réfléchir la lumière. Nous avons identifié une architecture réalisable en laboratoire, dans lequel une seule couche d'atomes peut agir comme un miroir quantique commutable."

Dans le cadre de leur étude, Bekenstein et ses collègues ont examiné différentes métasurfaces quantiques qui peuvent être contrôlées pour avoir différentes propriétés de diffusion de la lumière. L'une des sources les plus importantes pour le développement des technologies quantiques sont les états intriqués, qui sont des états uniques qui n'existent que pour les entités quantiques. Le métamatériau quantique proposé par les chercheurs permet la production d'états intriqués spécifiques de nombreuses particules légères (i.e., photons), qui sont particulièrement utiles pour les applications de traitement de l'information quantique.

Dans certaines conditions environnementales, les atomes peuvent être manipulés pour devenir transparents en utilisant des champs électriques externes. Des études récentes ont également démontré qu'une seule feuille d'atomes peut réfléchir la lumière, ressemblant à un miroir ordinaire.

En utilisant les interactions de Rydberg qui se produisent naturellement dans les systèmes atomiques, Bekenstein et ses collègues ont pu identifier un schéma dans lequel une seule couche d'atomes réfléchit et transmet simultanément la lumière dans une superposition quantique. En d'autres termes, la métasurface quantique résultante pourrait à la fois devenir transparente et réfléchir la lumière, comme un miroir.

« En mécanique quantique, les entités peuvent coexister dans différents états - c'est ce qu'on appelle un état de superposition, " a déclaré Bekenstein. "Notre métasurface quantique est un nouveau type de matériau qui peut faire coexister la lumière dans deux directions différentes. Cela se fait en manipulant l'état des atomes, puis en faisant briller un laser faible pour s'en éloigner."

La stratégie de conception employée par Bekenstein et ses collègues induit un enchevêtrement quantique entre différentes métasurfaces et la lumière, ainsi qu'entre les particules lumineuses individuelles. Notamment, l'architecture qu'ils ont proposée pourrait également être manipulée pour avoir des quantités variables de photons dans des états intriqués, qui est une capacité cruciale pour la plupart des applications quantiques, y compris l'informatique quantique.

Grâce à une série de calculs quantitatifs, les chercheurs ont analysé comment leur métasurface permet des opérations quantiques entre atomes et photons, permettant la génération d'états photoniques hautement intriqués qui sont idéaux pour les applications de traitement de l'information quantique.

"Un avantage clé de notre architecture est qu'un seul atome doit être préparé dans un état de superposition quantique en laboratoire, " a déclaré Bekenstein. " Des centaines d'atomes construisent la métasurface quantique, mais un seul doit être manipulé au niveau de la mécanique quantique, qui rendent cette proposition pratique. Ceci est rendu possible grâce à l'interaction à longue portée que nous utilisons dans le schéma, qui existe naturellement pour les atomes dans des niveaux d'énergie spécifiques."

Remarquablement, l'étude récente de Bekenstein et de ses collègues introduit une technique pour obtenir un contrôle quantique sur la réponse des matériaux macroscopiques à la lumière. Cette technique pourrait ouvrir la voie au développement d'un tout nouveau type de matériaux quantiques, tout en révolutionnant potentiellement la compréhension actuelle des matériaux optiques quantiques et de leur réponse à la lumière.

"Nous explorons actuellement des systèmes expérimentaux supplémentaires qui peuvent réaliser les métasurfaces quantiques que nous avons proposées, " a déclaré Bekenstein. "Nous sommes également intéressés à révéler la réponse non linéaire de ces métasurfaces quantiques à la lumière, qui se produisent pour les faisceaux lumineux d'intensité plus élevée. Finalement, nous étudions des applications pratiques spécifiques des métasurfaces quantiques proposées pour le traitement de l'information quantique."

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