Una nuova ricerca fornisce informazioni su come manipolare la luce quantistica

Un team di scienziati del Los Alamos National Laboratory propone che le metasuperfici quantistiche modulate possano controllare tutte le proprietà dei qubit fotonici, una svolta che potrebbe avere un impatto sui campi dell’informazione quantistica, delle comunicazioni, del rilevamento e dell’imaging, così come la raccolta di energia e slancio.

I risultati del loro studio sono stati pubblicati ieri sulla rivista Physical Review Letters, pubblicata dall’American Physical Society.

“I fisici hanno studiato le metasuperfici classiche per molto tempo”, afferma Diego Dalvit, che lavora nel gruppo Condensed Matter and Complex Systems presso la Divisione Teorica del Laboratorio.

“Ma abbiamo avuto questa nuova idea, che è quella di modulare nel tempo e nello spazio le proprietà ottiche di una metasuperficie quantistica per poter manipolare, su richiesta, tutti i gradi di libertà di un singolo fotone, che è l’unità più elementare di luce”.

Le metasuperfici sono strutture ultrasottili che possono manipolare la luce in modi normalmente non visti in natura.

In questo caso, il team ha sviluppato una metasuperficie che sembrava una serie di croci ruotate, che possono quindi manipolare con laser o impulsi elettrici. Hanno quindi sparato un singolo fotone attraverso la metasuperficie, dove il fotone si divide in una sovrapposizione di molti colori, percorsi e stati rotanti che sono tutti intrecciati, generando il cosiddetto entanglement quantistico, il che significa che il singolo fotone è in grado di ereditare tutto queste diverse proprietà contemporaneamente.

“Quando la metasuperficie è modulata con laser o impulsi elettrici, si può controllare la frequenza del singolo fotone rifratto, alterare il suo angolo di traiettoria, la direzione del suo campo elettrico, così come la sua torsione”, afferma Abul Azad del Center for Nanotecnologie integrate presso la Divisione di Fisica dei Materiali e Applicazioni del Laboratorio.

Manipolando queste proprietà, questa tecnologia potrebbe essere utilizzata per codificare le informazioni nei fotoni che viaggiano all’interno di una rete quantistica, da banche, computer quantistici e tra la Terra e i satelliti.

La codifica dei fotoni è particolarmente desiderabile nel campo della crittografia perché gli “intercettatori” non sono in grado di visualizzare un fotone senza modificarne la fisica fondamentale, il che, se fatto, avviserebbe il mittente e il destinatario che l’informazione è stata compromessa.

I ricercatori stanno anche lavorando su come estrarre fotoni dal vuoto modulando la metasuperficie quantistica.

“Il vuoto quantistico non è vuoto ma pieno di fugaci fotoni virtuali. Con la metasuperficie quantistica modulata si è in grado di estrarre e convertire in modo efficiente fotoni virtuali in coppie di fotoni reali”, afferma Wilton Kort-Kamp, che lavora nella divisione teorica del laboratorio Gruppo Materia Condensata e Sistemi Complessi.

Sfruttare i fotoni che esistono nel vuoto e spararli in una direzione dovrebbe creare propulsione nella direzione opposta.

Allo stesso modo, l’agitazione del vuoto dovrebbe creare un movimento rotatorio dai fotoni attorcigliati. La luce quantistica strutturata potrebbe quindi essere utilizzata un giorno per generare una spinta meccanica, utilizzando solo piccole quantità di energia per guidare la metasuperficie.