De nouveaux métaux ouvrent la voie à un contrôle avancé de l’émission quantique

8 août 2023

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par l'Académie chinoise des sciences

L'émission quantique est essentielle à la réalisation des technologies quantiques photoniques. Les émetteurs de photons uniques (SPE) à l'état solide, tels que les défauts en nitrure de bore hexagonal (hBN), fonctionnent à température ambiante. Ils sont très recherchés en raison de leur robustesse et de leur luminosité.

La manière conventionnelle de collecter les photons des SPE repose sur un objectif à haute ouverture numérique (NA) ou des antennes micro-structurées. Même si l’efficacité de la collecte de photons peut être élevée, ces outils ne peuvent pas manipuler les émissions quantiques. Plusieurs éléments optiques volumineux, tels que des polariseurs et des plaques de phase, sont nécessaires pour obtenir toute structuration souhaitée de la source de lumière quantique émise.

Dans un nouvel article publié dans eLight, une équipe internationale de scientifiques dirigée par les Drs Chi Li et Haoran Ren de l'Université Monash a développé un nouveau métal multifonctionnel pour structurer les émissions quantiques des SPE.

La capacité de transformer arbitrairement un faisceau optique sous différentes formes spatiales est essentielle pour les sources de lumière quantique. Les métasurfaces ont transformé le paysage de la conception photonique. Cela a conduit à des avancées technologiques majeures, de l’imagerie optique et de l’holographie au LiDAR et à la détection moléculaire.

Récemment, l'intégration directe d'émetteurs à l'échelle nanométrique dans des résonateurs et des métasurfaces nanostructurés a été conçue pour collecter et démontrer l'adaptation de base de l'émission des SPE. Ces premières démonstrations ont constitué la nécessité de l'optique plate pour faire progresser la manipulation de l'émission quantique.

L'équipe de recherche a résolu ce problème en concevant et en fabriquant un métal multifonctionnel. Les nouveaux métaux ont été fabriqués par les physiciens coréens Jaehyuck Jang et Trevon Badloe ainsi que par le professeur Junsuk Rho de l'Université des sciences et technologies de Pohang. Il peut simultanément adapter la directionnalité, la polarisation et les degrés de liberté du moment cinétique orbital (OAM). Ils ont utilisé les métalènes pour démontrer une structuration multidimensionnelle de l'émission quantique des SPE dans le hBN, fonctionnant à température ambiante.

L’équipe a démontré une mise en forme arbitraire de la directionnalité de l’émission quantique. Ils ont également montré que différents fronts d'onde hélicoïdaux pouvaient être ajoutés au profil des métaux, conduisant à la génération de modes OAM distinctifs dans les polarisations orthogonales des SPE. Les travaux expérimentaux révolutionnaires ont été réalisés à l’Université de technologie de Sydney et au TMOS (un centre d’excellence du Conseil australien de la recherche) dirigé par le professeur Igor Aharonovich.

La mise en forme arbitraire démontrée du front d'onde de l'émission quantique à plusieurs degrés de liberté pourrait libérer tout le potentiel des SPE à l'état solide, qui pourraient être utilisés comme sources quantiques de haute dimension pour des applications photoniques quantiques avancées.

La nouvelle technologie de l'équipe offre une nouvelle plate-forme pour utiliser la méta-optique ultra-mince pour la mise en forme arbitraire du front d'onde de l'émission quantique à plusieurs degrés de liberté à température ambiante. Cela pourrait fournir de nouvelles perspectives dans le domaine de la science de l’information quantique. L’équipe pense que la manipulation des polarisations des photons peut avoir un impact significatif sur la cryptographie quantique et la distribution de l’intrication grâce à un filtrage amélioré. La séparation de polarisation est vitale pour l’utilisation future des SPE hBN pour la génération de paires de photons intriqués en polarisation.

Une extension future des métalens pourrait permettre la génération d’états quantiques hybrides à photon unique de haute dimension. Toute intégration future de sources SPE structurées avec un environnement de transmission fiable, tel que des fibres optiques, pourrait promettre un réseau quantique doté d'une capacité d'information plus élevée, d'une robustesse au bruit et d'une meilleure sécurité.