Illustration d'une métasurface générant des paires de photons (représentés sous forme de sphères). L'intrication des photons peut être modifiée en changeant le faisceau de pompage (indiqué en rouge). Crédit :Andrei Komar et Matthew Parry.
La nanophotonique quantique est un domaine de recherche actif avec des applications émergentes qui vont de l'informatique quantique à l'imagerie et aux télécommunications. Cela a motivé les scientifiques et les ingénieurs à développer des sources de photons intriqués pouvant être intégrés dans des circuits photoniques à l'échelle nanométrique. L'application pratique des dispositifs à l'échelle nanométrique nécessite un taux de génération de paires de photons élevé, fonctionnement à température ambiante, et des photons intriqués émis à des longueurs d'onde de télécommunications de manière directionnelle.
La façon la plus courante de créer des photons intriqués consiste à utiliser un processus appelé SPDC (Spontaneous Parametric Down Conversion) qui consiste à diviser un seul photon en deux photons intriqués de fréquences inférieures, connu comme le signal et le ralenti. Les approches conventionnelles pour SPDC reposent sur des dispositifs encombrants pouvant atteindre plusieurs centimètres de long et ne sont pas optimaux pour l'intégration de circuits photoniques. Inversement, à l'échelle nanométrique, l'efficacité du procédé SPDC est entravée par le faible volume des résonateurs, et la directionnalité des photons émis est difficile à contrôler.
Les métasurfaces diélectriques offrent une voie prometteuse pour améliorer et adapter l'émission de photons SPDC. À ce jour, cependant, les métasurfaces ont utilisé des résonances de Mie à facteur de qualité relativement faible et ont un spectre d'émission en conséquence large, qui restreint la luminosité spectrale des photons. De nouvelles recherches révèlent que les résonances étendues des états liés dans le continuum (BIC) permettent d'exploiter des modes dans la métasurface qui ont des facteurs de qualité très élevés. Cela signifie à son tour que la génération de paires de photons à l'intérieur des résonateurs est améliorée de plusieurs ordres de grandeur et que la longueur d'onde des photons aura une bande passante très étroite. Il en résulte une luminosité spectrale très élevée, ce qui est bénéfique pour les applications de réseau quantique.
Génération de paires de photons intriqués par la métasurface. (a) Parce que la métasurface manque de symétrie de rotation à 90o et que les deux BIC ont une dispersion opposée, l'accord de phase transverse est un paraboloïde hyperbolique. (b) La distribution angulaire des paires de photons est déterminée par la condition d'adaptation de phase transversale, représenté par une ligne pointillée blanche. (c) L'intrication de polarisation peut être réglée de zéro (nombre de Schmidt de 1) à plein (nombre de Schmidt de 2) en faisant varier la polarisation de la pompe. Crédit :Parry et al., doi 10.1117/1.AP.3.5.055001.
Comme indiqué dans Photonique avancée , une équipe internationale de chercheurs de l'Australian National University (Matthew Parry, Dragomir N. Neshev, et Andrey A. Sukhorukov), Le Politecnico di Milano (Andrea Mazzanti et Giuseppe Della Valle) et l'Université ITMO de Saint-Pétersbourg (Alexander Poddubny) ont récemment démontré une génération améliorée de paires de photons non dégénérés dans des métasurfaces non linéaires. Dans une série de simulations complètes, ils ont utilisé des BIC séparés à des longueurs d'onde légèrement différentes pour le signal et les photons libres dans SPDC, ce qui leur a permis d'améliorer la luminosité des photons intriqués de cinq ordres de grandeur par rapport à celle d'un film mince sans motif de matériau non linéaire. Ils attribuent cette amélioration en grande partie au nouveau phénomène d'appariement de phase transverse hyperbolique, qui facilite la génération efficace de photons sur une large gamme de moments photoniques.
Non seulement leur méthode proposée permet la génération de paires de photons qui sont enchevêtrés quantiques, mais en changeant simplement la polarisation linéaire du laser de pompe, il est possible de régler l'intrication de polarisation des photons de plein à nul. C'est un moyen facile à mettre en œuvre pour contrôler l'enchevêtrement, afin qu'il réponde aux exigences des candidatures potentielles. La plate-forme proposée est également hautement configurable en ce qui concerne à la fois la longueur d'onde du signal et des photons libres ainsi que les BIC utilisés, ce qui ouvre la possibilité de modifier la direction dans laquelle les photons sont émis.
Les chercheurs, dont les travaux sont soutenus par l'Australian Research Council et par le programme Horizon 2020 de la Commission européenne, disent que leur avancée est une étape importante vers des dispositifs quantiques miniaturisés pour les applications quotidiennes.
