שיתוף פעולה בין חוקרים מהטכניון ומסין הוביל לפיתוח מטא-מהוד קוונטי, המאפשר לשלוט בתנע הזוויתי של פוטון בודד. החוקרים מציינים כי היכולת לשלוט בתכונות הפוטון עשויה לסייע בפיתוח טכנולוגיות קוונטיות, ובהן מחשבים, חיישנים ותקשורת קוונטית. המאמר על פריצת הדרך פורסם בכתב העת Physical Review Letters.
החוקרים שעומדים מאחורי הפיתוח הם פרופ' ארז חסמן, ראש המעבדה לפוטוניקה בסקאלה אטומית בפקולטה להנדסת מכונות ובמרכז הקוונטים ע"ש הלן דילר (The Helen Diller Quantum Center) בטכניון, פרופ' בו וונג משנגחאי וחוקרים ממעבדות נוספות בסין. פרופ' וונג (Bo Wang) עשה את הפוסט-דוקטורט במעבדה של פרופ' חסמן בטכניון והוא שותף לפריצות הדרך שנעשו במעבדה על לייזרי ספין מבוססי פאזה גאומטרית וחומרים דו-ממדיים.
גלריה
מטא-מהוד קוונטי שבמרכזו נקודה קוונטית שמאפשר שליטה על הספין, התנע הזוויתי המסלולי והפאזה של פוטון בודד. צימוד ספין-מסלול של הפוטון נעשה על ידי מהוד מבוסס מטא-משטח (ננו-אנטנות דיאלקטריות) עם שבירת סימטריה להיפוך, שמאפשרת להפעיל את אפקט רשבא האופטי על פוטון בודד. את התלות בסחרור כדור ומסלולו כאנלוגיה לאפקט של צימוד ספין-מסלול לפוטון אפשר לראות באנלוגיה בטניס, טניס שולחן ובעיטת "בננה" בכדורגל. המאמר מנצל את השליטה המלאה על כל דרגות החופש של הפוטון ליצירת הולגרמה קוונטית של פוטונים בודדים. התמונה לקוחה מתוך המאמר מטא-מהוד קוונטי שבמרכזו נקודה קוונטית שמאפשר שליטה על הספין, התנע הזוויתי המסלולי והפאזה של פוטון בודד. צימוד ספין-מסלול של הפוטון נעשה על ידי מהוד מבוסס מטא-משטח (ננו-אנטנות דיאלקטריות) עם שבירת סימטריה להיפוך, שמאפשרת להפעיל את אפקט רשבא האופטי על פוטון בודד. את התלות בסחרור כדור ומסלולו כאנלוגיה לאפקט של צימוד ספין-מסלול לפוטון אפשר לראות באנלוגיה בטניס, טניס שולחן ובעיטת "בננה" בכדורגל. המאמר מנצל את השליטה המלאה על כל דרגות החופש של הפוטון ליצירת הולגרמה קוונטית של פוטונים בודדים. התמונה לקוחה מתוך המאמר
מטא-מהוד קוונטי שבמרכזו נקודה קוונטית שמאפשר שליטה על הספין, התנע הזוויתי המסלולי והפאזה של פוטון בודד. צימוד ספין-מסלול של הפוטון נעשה על ידי מהוד מבוסס מטא-משטח (ננו-אנטנות דיאלקטריות) עם שבירת סימטריה להיפוך, שמאפשרת להפעיל את אפקט רשבא האופטי על פוטון בודד. את התלות בסחרור כדור ומסלולו כאנלוגיה לאפקט של צימוד ספין-מסלול לפוטון אפשר לראות באנלוגיה בטניס, טניס שולחן ובעיטת "בננה" בכדורגל. המאמר מנצל את השליטה המלאה על כל דרגות החופש של הפוטון ליצירת הולגרמה קוונטית של פוטונים בודדים. התמונה לקוחה מתוך המאמר
החוקרים הסבירו כי פוטונים בודדים הם אבני הבניין של טכנולוגיות קוונטיות עתידיות, ואחד האתגרים בתחום זה הוא שילוב בין יצירתם לבין שליטה בדרגות החופש של הפוטונים ובאופן התפשטותם. פרופ' חסמן ועמיתיו פתרו את הבעיה באמצעות מטא-מהוד קוונטי, מבנה זעיר, שעוביו כ 200-ננומטר בלבד ובמרכזו נקודה קוונטית המשמשת כ"מפעל" לייצור פוטונים בודדים.
לדברי החוקרים, המהוד מאפשר לחזק משמעותית את האינטראקציה בין אור וחומר בעזרת מטא-מבנה המבוסס על פאזה גאומטרית, והחוקרים הדגימו אפשרות לנעילת ספין הפוטון ומניפולציה על התנע הזוויתי.
שתיים מתכונות הליבה של פוטונים הן תנע זוויתי מסלולי וספין, שאותו נהוג לתאר בשפה עממית כ"סחרור". במערכת החדשה הצליחו החוקרים לייצר "נעילה" בין הספין של הפוטון לבין כיוון תנועתו, ליצור קרני מערבולת בעלות תנע זוויתי ואף להפיק הולוגרמות באמצעות פוטונים בודדים. במילים אחרות, במקום לקבל חלקיק אור "רגיל", ההתקן החדש מאפשר לתכנן מראש כיצד ייראה הפוטון, לאן ינוע ואיזה מידע יישא.
פרופ' ארז חסמןפרופ' ארז חסמן
פרופ' ארז חסמן
( צילום: ניצן זוהר)
האפקט הפיסיקלי לפיצול הספינים של הפוטונים הבודדים במטא-מהוד קוונטי מבוסס על אפקט רשבא האופטי שהתגלה על ידי פרופ' חסמן בהשראתו של אפקט רשבא באלקטרונים. בעזרת מבנה מהוד אסימטרי להיפוך אפשר להוסיף לפוטונים הבודדים תנע ליניארי שתלוי בספין.
המקור לפוטונים הבודדים הוא נקודה קוונטית הנמצאת במרכז המהוד. נקודה קוונטית היא חלקיק מוליך למחצה זעיר המציית לחוקי מכניקת הקוונטים. היא מאופיינת ביכולת ייחודית לשלוט באורך הגל שהיא פולטת בהתאם לגודלה הפיזי. נקודה קוונטית מכונה גם אטום מלאכותי משום שרמות האנרגיה בה מוגדרות באופן בדיד, בדומה לאטומים אמיתיים.
המטא-מהוד קוונטי שפיתחו החוקרים יתרום רבות לפיתוח מחשבים קוונטיים, סנסורים קוונטיים רגישים, הצפנה קוונטית והעברת אינפורמציה בסטטיסטיקה קוונטית כאשר הספין והתנע הזוויתי המסלולי של הפוטון משמשים כדרגות חופש החיוניות לקידוד אינפורמציה.