Ciptaan Baharu Mencetuskan Salah Satu Fenomena Paling Pelik dan Berguna Mekanik Kuantum

Dalam rendering metasurface artis ini, cahaya melalui struktur kecil segi empat tepat — blok bangunan metasurface — dan mencipta pasangan foton terjerat pada panjang gelombang yang berbeza. Peranti ini direka, direka dan diuji melalui perkongsian antara Sandia National Laboratories dan Institut Max Planck untuk Sains Cahaya. Kredit: Ihsan Igal Brener, Sandia National Laboratories

Melalui Quantum Looking Glass

Dengan membantu saintis mengawal fenomena mekanik kuantum yang pelik tetapi berguna, ciptaan ultranipis boleh menjadikan teknologi pengkomputeran, penderiaan dan penyulitan masa hadapan lebih kecil dan lebih berkuasa. Peranti ini diterangkan dalam penyelidikan baru yang baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal Sains.

Peranti ini boleh menggantikan peralatan yang penuh untuk menghubungkan foton dalam kesan kuantum pelik yang dipanggil kekusutan, menurut saintis di Sandia National Laboratories dan Institut Max Planck untuk Sains Cahaya. Ia adalah sejenis bahan kejuruteraan nano yang dipanggil metasurface dan membuka jalan untuk menjerat foton dengan cara yang kompleks yang tidak mungkin dilakukan dengan teknologi padat.

Apabila foton dikatakan terjerat, ia bermakna ia dikaitkan sedemikian rupa sehingga tindakan pada satu mempengaruhi yang lain, tidak kira di mana atau berapa jauh jarak foton di alam semesta. Ia adalah kesan menyeramkan mekanik kuantum, undang-undang fizik yang mengawal zarah dan perkara lain yang sangat kecil.

Cahaya Laser Hijau Menerangi Metasurface

Lampu laser hijau menerangi permukaan meta yang seratus kali lebih nipis daripada kertas, yang direka di Pusat Nanoteknologi Bersepadu. CINT dikendalikan bersama oleh makmal kebangsaan Sandia dan Los Alamos untuk Pejabat Sains Jabatan Tenaga. Kredit: Craig Fritz, Sandia National Laboratories

Walaupun fenomena itu mungkin kelihatan pelik, penyelidik telah memanfaatkannya untuk memproses maklumat dengan cara baharu. Sebagai contoh, jalinan membantu melindungi maklumat kuantum yang halus dan membetulkan ralat dalam pengkomputeran kuantum, bidang yang mungkin suatu hari nanti akan memberi impak besar kepada sains, kewangan dan keselamatan negara. Entanglement juga membolehkan kaedah penyulitan baharu termaju untuk komunikasi yang selamat.

Penyelidikan untuk peranti pecah tanah, yang seratus kali lebih nipis daripada sehelai kertas, telah dijalankan, sebahagiannya, di Pusat Nanoteknologi Bersepadu, kemudahan pengguna Pejabat Tenaga Sains yang dikendalikan oleh makmal kebangsaan Sandia dan Los Alamos. Pasukan Sandia menerima pembiayaan daripada program Pejabat Sains, Sains Tenaga Asas.

Cahaya masuk, foton terjerat keluar

Metasurface baharu bertindak sebagai portal kepada fenomena kuantum yang luar biasa ini. Dalam beberapa cara, ia seperti cermin dalam “Through the Looking-Glass” karya Lewis Carroll, di mana protagonis muda Alice mengalami dunia baharu yang pelik.

Daripada berjalan melalui peranti baharu mereka, saintis memancarkan laser melalui peranti itu. Pancaran cahaya melalui sampel kaca ultranipis yang diliputi dalam struktur skala nano yang diperbuat daripada bahan semikonduktor biasa yang dipanggil galium arsenide.

“Ia mengacau semua medan optik,” kata saintis kanan Sandia, Igal Brener. Beliau adalah pakar dalam bidang yang dipanggil optik tak linear dan mengetuai pasukan Sandia. Kadang-kadang, katanya, sepasang foton terjerat pada panjang gelombang yang berbeza muncul daripada sampel dalam arah yang sama dengan pancaran laser yang masuk.

Igal Brener

Saintia National Laboratories saintis kanan Igal Brener, pakar dalam optik tak linear, mengetuai pasukan yang membantu menunjukkan peranti yang membuka jalan bagi teknologi pemprosesan maklumat kuantum yang berkuasa dan padat. Kredit: Craig Fritz, Sandia National Laboratories

Brener berkata dia teruja dengan peranti ini kerana ia direka untuk menghasilkan jaringan kompleks foton terjerat. Daripada hanya satu pasangan pada satu masa, ia boleh menghasilkan beberapa pasangan yang semuanya terikat bersama, dan beberapa yang tidak dapat dibezakan antara satu sama lain. Sesetengah teknologi memerlukan kepelbagaian kompleks yang dipanggil pelbagai jalinan ini untuk skim pemprosesan maklumat yang canggih.

Walaupun teknologi miniatur lain berdasarkan fotonik silikon juga boleh menjerat foton, mereka kekurangan tahap kompleks, pelbagai kekusutan yang sangat diperlukan. Sehingga kini, satu-satunya cara untuk menghasilkan keputusan sedemikian adalah dengan berbilang jadual yang penuh dengan laser, kristal khusus dan peralatan optik lain.

“Ia agak rumit dan agak sukar dikawal apabila pelbagai keterjeratan ini memerlukan lebih daripada dua atau tiga pasangan,” kata Brener. “Metasurfaces tak linear ini pada dasarnya mencapai tugas ini dalam satu sampel apabila sebelum ini ia memerlukan persediaan optik yang sangat kompleks.”

The Sains kertas kerja menggariskan bagaimana pasukan berjaya menala metasurface mereka untuk menghasilkan foton terjerat dengan panjang gelombang yang berbeza-beza. Ini adalah pelopor penting untuk menghasilkan beberapa pasang foton terjerat rumit secara serentak.

Walau bagaimanapun, para saintis mencatatkan dalam kertas mereka bahawa kecekapan peranti mereka – kadar di mana mereka boleh menjana kumpulan foton terjerat – adalah lebih rendah daripada teknik lain dan perlu dipertingkatkan.

Apakah metasurface?

Metasurface ialah bahan sintetik yang berinteraksi dengan cahaya dan gelombang elektromagnet lain dengan cara yang tidak boleh dilakukan oleh bahan konvensional. Brener berkata bahawa industri komersil sibuk membangunkan metasurfaces kerana mereka mengambil lebih sedikit ruang dan boleh melakukan lebih banyak dengan cahaya daripada, sebagai contoh, kanta tradisional.

“Anda kini boleh menggantikan kanta dan elemen optik tebal dengan metasurfaces,” kata Brener. “Jenis metasurfaces tersebut akan merevolusikan produk pengguna.”

Sandia adalah salah satu institusi terkemuka di dunia yang menjalankan penyelidikan dalam metasurfaces dan metamaterial. Di antara kompleks Kejuruteraan, Sains dan Aplikasi Microsystems, yang mengeluarkan semikonduktor kompaun, dan Pusat Nanoteknologi Bersepadu yang berdekatan, saintis mempunyai akses kepada semua alat khusus yang mereka perlukan untuk mereka bentuk, mengarang dan menganalisis bahan baharu yang bercita-cita tinggi ini.

“Kerja itu mencabar kerana ia memerlukan teknologi nanofabrikasi yang tepat untuk mendapatkan resonans optik jalur sempit yang tajam yang menyemai proses kuantum kerja,” kata Sylvain Gennaro, bekas penyelidik pasca doktoral di Sandia yang bekerja pada beberapa aspek projek.

Peranti itu direka, direka dan diuji melalui perkongsian antara Sandia dan kumpulan penyelidikan yang diketuai oleh ahli fizik Maria Chekhova. Beliau adalah pakar dalam kuantum kuantum foton di Institut Max Planck untuk Sains Cahaya.

“Metasurfaces membawa kepada anjakan paradigma dalam optik kuantum, menggabungkan sumber cahaya kuantum ultra kecil dengan kemungkinan yang meluas untuk kejuruteraan keadaan kuantum,” kata Tomás Santiago-Cruz. Dia adalah ahli pasukan Max Plank dan pengarang pertama di atas kertas.

Brener, yang telah mempelajari bahan metamaterial selama lebih sedekad, berkata penyelidikan terbaru ini mungkin mencetuskan revolusi kedua – yang melihat bahan-bahan ini dibangunkan bukan sahaja sebagai jenis kanta baharu, tetapi sebagai teknologi untuk pemprosesan maklumat kuantum dan aplikasi baharu yang lain. .

“Terdapat satu gelombang dengan metasurfaces yang sudah mantap dan dalam perjalanan. Mungkin ada gelombang kedua aplikasi inovatif yang akan datang,” katanya.

Rujukan: “Permukaan meta resonan untuk menjana keadaan kuantum yang kompleks” oleh Tomás Santiago-Cruz, Sylvain D. Gennaro, Oleg Mitrofanov, Sadhvikas Addamane, John Reno, Igal Brener dan Maria V. Chekhova, 25 Ogos 2022, Sains.
DOI: 10.1126/science.abq8684

We wish to give thanks to the writer of this write-up for this outstanding content

Ciptaan Baharu Mencetuskan Salah Satu Fenomena Paling Pelik dan Berguna Mekanik Kuantum


Find here our social media profiles and other pages that are related to them.https://paw6.info/related-pages/