Las computadoras cuánticas son una de las tecnologías futuras clave del siglo XXI. Investigadores de la Universidad de Paderborn dirigidos por el Prof. Dr. Thomas Zentgraf, en cooperación con colegas de la Universidad Nacional de Australia y la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur, han desarrollado una nueva tecnología para manipular la luz que puede servir como base para futuras computadoras cuánticas ópticas. Los resultados se han publicado ahora en la revista de renombre internacional Nature Photonics.
Tecnología óptica para computación cuántica
Los nuevos elementos ópticos para manipular la luz permiten aplicaciones más avanzadas en la tecnología de la información moderna, especialmente en las computadoras cuánticas. Sin embargo, un gran desafío sigue siendo la llamada propagación de luz no recíproca a través de superficies nanoestructuradas, donde las superficies han sido manipuladas en escalas diminutas.
El Prof. Dr. Thomas Zentgraf, jefe del grupo de trabajo de nanofotónica ultrarrápida de la Universidad de Paderborn, explica: «Mientras que la luz puede recorrer el mismo camino hacia adelante y hacia atrás a través de una estructura en propagación recíproca, la propagación no recíproca es comparable a una calle de sentido único en que se mueve sólo puede extenderse en una dirección».
La no reciprocidad es una propiedad especial en óptica que conduce a que la luz produce diferentes propiedades materiales cuando se invierte su dirección. Un ejemplo sería una ventana de vidrio que es transparente por un lado y deja pasar la luz, pero parece un espejo cuando se ve desde el otro lado y refleja la luz.
Se habla de una dualidad. «En el campo de la fotónica, esta dualidad puede ser muy útil para diseñar nuevos elementos ópticos para manipular la luz», dice Zentgraf.
En una colaboración actual entre su grupo de trabajo en la Universidad de Paderborn e investigadores de la Universidad Nacional de Australia y la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur, dicha propagación de luz no recíproca se combinó con una conversión de frecuencia de la luz láser, es decir, un cambio en la frecuencia. y así también en el color de luz. «Usamos conversión de frecuencia en las estructuras especialmente diseñadas con tamaños en el rango de unos pocos cientos de nanómetros para convertir la luz infrarroja, que es invisible para el ojo humano, en luz visible», explica el Dr. Sergey Kruk, Marie Curie Fellow en el grupo de Zentgraf.
Los experimentos muestran que este proceso de conversión solo tiene lugar para una dirección de iluminación de la superficie nanoestructurada, mientras que está completamente suprimido para la dirección opuesta de iluminación.
Este tipo de dualidad en las propiedades de conversión de frecuencia se ha utilizado para codificar imágenes en una superficie transparente. «Diseñamos la disposición de las diferentes nanoestructuras de tal manera que proporcionen una imagen diferente cuando la superficie de la muestra se ilumina desde el frente o desde atrás», dice Zentgraf, y agrega: «Estas imágenes solo se hicieron visibles cuando usamos láser infrarrojo».
En sus primeros experimentos, la intensidad de la luz visible convertida en frecuencia era aún muy baja. Por lo tanto, en un paso siguiente, la eficiencia debería incrementarse aún más para que se requiera menos luz infrarroja para la conversión de frecuencia. En futuros circuitos ópticamente integrados, el control direccional de la conversión de frecuencia podría usarse para cambiar la luz directamente con otra luz o para generar estados de fotones específicos directamente en un pequeño chip para cálculos ópticos cuánticos. «Quizás veamos una aplicación en futuras computadoras cuánticas ópticas, en las que la generación dirigida de fotones individuales a través de la conversión de frecuencia juega un papel importante», dice Zentgraf.
Artículo original:
Asymmetric parametric generation of images with nonlinear dielectric metasurfaces
Sergey S. Kruk, Lei Wang, Basudeb Sain, Zhaogang Dong, Joel Yang, Thomas Zentgraf & Yuri Kivshar
doi.org/10.1038/s41566-022-01018-7
Fuente: Paderborn University
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