Jeszcze w styczniu 2025 roku grupa prof. Jima Schucka udowodniła, że da się generować pary splątanych fotonów w strukturze o grubości 3,4 mikrometra. Wynik imponujący, ale nadal zbyt duży, by realnie myśleć o miniaturyzacji źródeł kubitów do skali chipu. Nowa publikacja w Nature Photonics pokazuje coś znacznie śmielszego: platforma, która może wykonywać te same nieliniowe zadania, ma teraz tylko 160 nanometrów grubości.
Możliwe stało się to dzięki technice wprowadzenia metapowierzchni – geometrycznych, nanometrowych wzorów wytrawionych w ultracienkich kryształach. Taki zabieg drastycznie zmienia i wzmacnia optyczne właściwości materiału, w tym jego zdolność do generowania światła o nowych częstotliwościach.
Czytaj też: Fizycy rozwikłali zagadkę drzwi kwantowych. Przełom w fizyce materiałów warstwowych
Dr Chiara Trovatello, obecnie profesor w Politecnico di Milano, autorka pracy, mówi:
Udało nam się opracować przepis na nanoskalowe wzory, które zwiększają nieliniowość ultracienkich kryształów, jednocześnie zachowując ich subfalową grubość.
Po co nam metapowierzchnie?
Laboratorium Schucka od lat bada materiały z grupy dichalkogenków metali przejściowych (TMDC). To kryształy, które można złuszczać do grubości jednej warstwy atomów, a następnie składać w stosy o dowolnych właściwościach optycznych.
Ich nieliniowość jest duża, ale problemem była ekstremalna cienkość: dotąd trudno było w takich strukturach skutecznie generować fotony o nowych częstotliwościach. Dla laserów to nie kłopot, ale dla technologii kwantowych – już tak. Źródła fotonów dla kubitów nadal zajmują centymetry, a same komputery kwantowe przypominają wielkie szafy, jak pierwsze komputery klasyczne.
Jeszcze na początku roku zespół próbował obejść ograniczenia grubości, układając warstwy siarczku molibdenu (MoS2) w precyzyjnie zaplanowane stosy o naprzemiennych orientacjach. Teraz proponują platformę komplementarną: nie stosy, lecz ultracienkie powierzchnie o precyzyjnie wytrawionych strukturach.
Metapowierzchnie działają jak nanometrowe siatki, które “przeprogramowują” to, jak materiał oddziałuje ze światłem. Naturalny układ atomów wyznacza pewien zestaw właściwości optycznych – ale jeśli fragmenty tych atomów można usunąć i stworzyć wzory o kontrolowanej geometrii, możliwe są zupełnie nowe zachowania światła.
Doktorant Zhi Hao Peng, pierwszy autor publikacji, wytrawił serię równoległych linii w warstwie MoS2. Okazało się, że tak zaprojektowana metapowierzchnia daje imponujący efekt: niemal 150-krotne wzmocnienie generacji drugiej harmonicznej w porównaniu z próbką niewzorcowaną.
Rozwój komputerów kwantowych przyspieszy?
Druga harmoniczna, czyli łączenie dwóch fotonów w jeden o podwójnej częstotliwości, to krok w stronę kolejnego etapu: odwrócenia procesu i tworzenia fotonów splątanych. To właśnie one są paliwem komputerów i komunikacji kwantowej. Co istotne, metoda Penga jest nie tylko skuteczna, ale też prosta – wymaga standardowego trawienia w clean roomie, znacznie mniej złożonego niż dotychczas stosowane procedury.
Za architekturą metapowierzchni stoi także praca teoretyków: prof. Andrea Alù i dr Michele Cotrufo pomogli wyznaczyć taki wzór linii, który wywoła silne nieliniowe reakcje materiału. Ich modele pokazały, że wystarczy periodyczna zmienność szerokości nanolinii, aby w próbce o grubości kilkuset atomów osiągnąć makroskopową efektywność nieliniową.
Przełom polega na tym, że metapowierzchnie nie służą tu jedynie do kontroli światła, jak w nowoczesnych soczewkach czy wzmacniaczach, ale stają się narzędziem do generowania samego światła – i to takiego, które może bezpośrednio współpracować z telekomunikacyjnymi sieciami optycznymi. Nowe struktury działają bowiem w zakresie długości fal używanych w światłowodach.
Schuck nie ma wątpliwości, dokąd prowadzi ta ścieżka. Możliwość generowania fotonów w formacie kompatybilnym z infrastrukturą telekomunikacyjną oznacza, że przyszłe urządzenia kwantowe będą mogły korzystać z istniejącej sieci światłowodów, zamiast wymagać zupełnie nowych rozwiązań.