Des chercheurs ont pour la première fois démontré une source de lumière quantique basée sur un réseau de méta-lentilles. L'approche offre une plate-forme prometteuse à la fois pour l'intrication de photons de grande dimension et le contrôle cohérent de plusieurs photons, le rendant approprié pour faire progresser les technologies quantiques pour une communication sécurisée, l'informatique, et d'autres applications.

Le travail profite de la capacité de contrôler la lumière avec de minuscules, nano/micro-structures arrangées avec précision sur une surface optique. Le résultat est appelé une métasurface. Din Ping Tsai de l'Université polytechnique de Hong Kong présentera la recherche lors du congrès virtuel OSA Advanced Photonics qui se tiendra du 26 au 30 juillet. La conférence de Tsai est prévue le 27 juillet de 19h00 à 19h15 HAE (UTC-04h00).

"Nos résultats indiquent qu'une métasurface peut fournir une voie pour la génération et le contrôle d'états quantiques complexes, augmentant non seulement la dimensionnalité du système quantique, mais permettant également le contrôle cohérent de plusieurs photons, fournissant ainsi une plate-forme compacte et pratique pour le développement d'un traitement avancé de l'information photonique quantique sur puce, " dit Tsaï.

Les technologies quantiques peuvent encoder des informations à l'aide de photons, l'unité de base de la lumière. Alors qu'un ordinateur classique code des informations en utilisant seulement deux états, 0 et 1, les dispositifs quantiques codent des informations dans les relations entre les photons. Une seule paire de photons intriqués peut contenir plusieurs états quantiques, leur permettant de détenir beaucoup plus d'informations que les systèmes numériques classiques.

Dans le nouveau travail, Tsai et ses collègues ont créé une source de lumière quantique qui génère 100 paires de photons intriqués qui sont couplés et superposés les uns aux autres. En générant simultanément des paires de photons intriqués, l'approche peut être utilisée pour coder de grandes quantités d'informations dans une minuscule puce.

Pour y parvenir, les chercheurs ont combiné une matrice de méta-lentilles, un type de métasurface qui utilise de minuscules antennes pour créer avec précision le front d'onde de la lumière, avec un cristal non linéaire (BaB 2 O 4 ) pour convertir un photon d'énergie supérieure en une paire de photons intriqués d'énergie inférieure à l'aide d'une down-conversion paramétrique spontanée. La méta-lentille, fabriqué avec un processus de nanofabrication avancé, se compose d'une série de nano-piliers en nitrure de gallium (GaN) de 800 nm de hauteur. La lumière est pompée à partir d'un laser à travers le réseau de méta-lentilles 10x10, puis à travers le cristal non linéaire, générer 100 paires de photons intriqués.

Parce que l'intrication quantique entre les photons dépend de la conception de la métasurface, les chercheurs disent que cette approche offre plus de flexibilité dans la manipulation de la lumière que les sources quantiques existantes, ouvrant de nouvelles voies pour les technologies d'optique quantique.

"Notre source de photons quantiques à base de métalens est compacte, stable, et contrôlable, indiquant une nouvelle plate-forme pour les dispositifs quantiques intégrés, " dit Tsaï.

Les chercheurs ont vérifié les états quantiques résultants dans deux, trois et quatre dimensions avec des fidélités de 98,4%, 96,6% et 95,0%, respectivement. Ils ont également confirmé que la source a une bonne indiscernabilité des photons, une caractéristique importante pour les sources quantiques multiphotoniques, ainsi que les dépendances de puissance appropriées.

Cette nouvelle recherche passionnante pourrait aider la science de l'information quantique à réaliser de nombreuses applications dans notre vie quotidienne à l'avenir, telles que les communications mobiles sécurisées quantiques, accès e-mail, opérations en ligne, paiements sans espèces, Distributeurs automatiques de billets et e-banking, ainsi que des tâches de calcul de haut niveau telles que l'apprentissage automatique, intelligence artificielle, et les réseaux de neurones. L'équipe de recherche du Pr Tsai se consacre à poursuivre ses travaux sur les applications quantiques basées sur la méta-optique.