Ученые создали метаповерхность для точного управления квантовой запутанностью фотонов

Схема поляризационной запутанности от метаповерхности InGaP. Наноструктурированная метаповерхность InGaP обеспечивает усиленное генерацию поляризационно-запутанных пар фотонов, распространяющихся в противоположных направлениях вдоль оси z. В правом нижнем углу показано изображение метаповерхности, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Автор: ARC Centre of Excellence for Transformative Meta Optical Systems

Новый материал позволил ученым создавать пары фотонов, степень запутанности которых можно точно настраивать с помощью слоя тоньше человеческого волоса.

Пары фотонов генерируются метаповерхностью из фосфида индия-галлия (InGaP), обладающей нелинейными свойствами, которые позволяют расщеплять классический фотон на два квантовых. Изменяя длину волны исходного фотона, можно создавать полностью запутанные по поляризации пары, полностью независимые фотоны или любые промежуточные состояния, с контролем на уровне пикосекунд.

«Это новый физический принцип для создания настраиваемых квантовых состояний. Важность асимметрии в нелинейных процессах хорошо известна, но впервые она применена для генерации запутанных пар фотонов», — пояснил руководитель исследования профессор Андрей Сухоруков из Австралийского национального университета.

Настраиваемые запутанные пары фотонов критически важны для безопасной квантовой связи и шифрования. Впервые миниатюризация метаповерхностей позволила добиться такой точной настройки.

Исследование опубликовано в журнале Science Advances и детально описывает, как оптические резонансы усиливают генерацию пар фотонов.

Ключевым аспектом стала методика изготовления метаповерхности, отметил соавтор работы доктор Туомас Хаггрен:

«Мы изучили свойства InGaP и поняли, что этот материал перспективен — высокий нелинейный коэффициент, широкая запрещенная зона и прозрачность в красном диапазоне».

Экспериментируя с ориентацией кристаллической решетки, ученые добились роста метаповерхности с ориентацией [110], что обеспечило необходимые нелинейные свойства.

Оптимальная конструкция метаповерхности представляет собой массив столбиков высотой 500 нм и диаметром менее 1 мкм, расположенных на подложке из диоксида кремния.

Лазерный импульс, падающий на метаповерхность под углом 90 градусов, вызывает «нисходящее преобразование» фотона в два фотона с большей длиной волны, один из которых распространяется в том же направлении, а другой — в противоположном.

Асимметрия подложки создает условия для управления степенью запутанности фотонных пар путем изменения длины волны накачки. Этот механизм невозможно реализовать с помощью традиционных нелинейных кристаллов.

Эксперименты подтвердили теоретические предсказания, продемонстрировав отношение сигнал/шум на два порядка лучше, чем у существующих полупроводниковых плоских оптических элементов.

«Новизна нашей работы — в разработке физического подхода для настройки поляризационной запутанности путем изменения длины волны накачки, что преодолевает ограничения неструктурированных материалов», — отметил соавтор исследования доктор Цзиньён Ма.

Помимо поляризационной запутанности, фотонные пары также демонстрировали пространственную запутанность, что соответствует критериям «гиперзапутанности». А поскольку выходные пары можно изменять так же быстро, как настраивать длину волны накачки, управление запутанностью осуществляется с пикосекундной точностью.

Это открывает новые возможности для проектирования метаповерхностей, которые могут создавать гиперзапутанность по нескольким степеням свободы.

Дополнительная информация: Jinyong Ma et al, Nonlinearity symmetry breaking for generating tunable quantum entanglement in semiconductor metasurfaces, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adu4133