A Sandia National Laboratories és a Max Planck Institute for the Science of Light tudósai egy olyan eszközről számoltak be, amely helyettesítheti a fotonok összekapcsolására szolgáló szobányi berendezést az összefonódásnak nevezett bizarr kvantumhatás során. Ez az eszköz - egyfajta nanotechnológiával előállított anyag, az úgynevezett metafelület - megnyitja az utat a fotonok bonyolult módon történő összefonódásához, ami eddig kompakt technológiákkal nem volt lehetséges.
Amikor a tudósok azt mondják, hogy a fotonok összefonódtak, azt jelentik, hogy olyan módon kapcsolódnak egymáshoz, hogy az egyik fotonon végzett műveletek hatással vannak a másikra, függetlenül attól, hogy a fotonok hol vagy milyen messze vannak egymástól az univerzumban. Ez a kvantummechanika, vagyis a részecskéket és más nagyon apró dolgokat szabályozó fizikai törvények hatása.
Bár a jelenség furcsának tűnhet, a tudósok újfajta információfeldolgozásra használták fel. Az összefonódás például segít megvédeni a kényes kvantuminformációkat és kijavítani a hibákat a kvantumszámítástechnikában, amely egy napon nagy hatással lehet a nemzetbiztonságra, a tudományra és a pénzügyekre. A kvantum összefonódás új, fejlett titkosítási módszereket is lehetővé tesz a biztonságos kommunikációhoz.
Az új metafelület kapuként működik ehhez a szokatlan kvantumjelenséghez. Bizonyos szempontból olyan, mint Lewis Carrol "A tükörön át" című művében a tükör, amelyen keresztül a fiatal főhős, Alice egy különös, új világot tapasztal meg. Ahelyett, hogy az új eszközükön keresztül sétálnának, a tudósok egy lézerrel világítanak át rajta. A fénysugár áthalad egy ultravékony üvegmintán, amelyet nanoszintű struktúrák borítanak, amelyek egy gyakori félvezető anyagból, a gallium-arzenidből készülnek.
Ez megzavarja az összes optikai mezőt - mondta Igal Brener, a Sandia vezető kutatója, a nemlineáris optika nevű terület szakértője. Elmondása szerint időnként egy pár különböző hullámhosszúságú, összefonódott foton lép ki a mintából a beérkező lézersugárral azonos irányban. Azért izgatja ez az eszköz, mert úgy tervezték, hogy bonyolult összefonódott fotonhálózatokat hozzon létre. Nem csak egy-egy párt, hanem több párat, amelyek mindegyike összefonódott, és néhányat meg sem lehet különböztetni egymástól. Egyes technológiáknak az úgynevezett többszörös összefonódás ezen összetett fajtáira van szükségük a kifinomult információfeldolgozási rendszerekhez.
Más, szilícium-fotonikán alapuló miniatűr technológiák szintén képesek elérni a fotonok összefonódását, de a szükséges komplex, többszörös összefonódás nélkül. Eddig az ilyen eredmények előállításának egyetlen módja a lézerekkel, speciális kristályokkal és egyéb optikai berendezésekkel teli több asztalnyi lézer volt. "Elég bonyolult és eléggé nehezen megoldható, ha ehhez a többszörös összefonódáshoz kettőnél vagy háromnál több párra van szükség. Ezek a nemlineáris metafelületek lényegében egyetlen mintával teljesítik el azt a feladatot, amelyhez korábban hihetetlenül bonyolult optikai elrendezésekre lett volna szükség" - mondta Brener.
A Science-ben megjelent tanulmány ismerteti, hogy a csapat hogyan hangolta sikeresen metafelületet úgy, hogy különböző hullámhosszúságú összefonódott fotonokat állítson elő, ami kritikus előfeltétele annak, hogy egyszerre több pár bonyolultan összefonódott fotont tudjon létrehozni. A kutatók azonban a tanulmányukban megjegyzik, hogy eszközük hatékonysága - vagyis az a sebesség, amellyel összefonódott fotoncsoportokat tudnak létrehozni - alacsonyabb, mint más technikáké, és még javításra szorul.
A metafelület olyan szintetikus anyag, amely úgy lép kölcsönhatásba a fénnyel és más elektromágneses hullámokkal, ahogyan a hagyományos anyagok nem. Brener szerint a kereskedelmi iparágak a metafelületek fejlesztésével vannak elfoglalva, mivel ezek kisebb helyet foglalnak el, és többet tudnak kezdeni a fénnyel, mint például egy hagyományos lencse. "A lencséket és a vastag optikai elemeket most már metafelületekkel lehet helyettesíteni. Az ilyen típusú metafelületek forradalmasítani fogják a fogyasztói termékeket" - állítja a tudós.
"A metafelületek paradigmaváltáshoz vezetnek a kvantumoptikában, a kvantumfény ultrakisméretű forrásait a kvantumállapot-technika messzemenő lehetőségeivel kombinálva" - mondta Tomás Santiago-Cruz, a Max Plank-csoport tagja és a tanulmány első szerzője.
Brener, aki több mint egy évtizede tanulmányozza a metaanyagokat, azt mondta, hogy ez a legújabb kutatás esetleg egy második forradalmat indíthat el. Olyat, amelyben ezeket az anyagokat nem csak újfajta lencseként, hanem a kvantuminformáció-feldolgozás és más új alkalmazások technológiájaként fejlesztik ki. "Volt egy első hullám a metafelületekkel, amely már jól megalapozott és úton van. Talán jön az innovatív alkalmazások második hulláma is" - mondta a kutatás vezetője.
