新しいメタレンズが量子発光の高度な制御への道を照らす

2023 年 8 月 8 日

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量子発光は、フォトニック量子技術の実現にとって極めて重要です。 六方晶系窒化ホウ素 (hBN) 欠陥などの固体単一光子エミッター (SPE) は室温で動作します。 堅牢性と明るさのため、非常に望ましいものです。

SPE から光子を収集する従来の方法は、高開口数 (NA) 対物レンズまたは微細構造アンテナに依存しています。 光子の収集効率は高い可能性がありますが、これらのツールは量子放射を操作できません。 放出される量子光源の望ましい構造を達成するには、偏光子や位相板などの複数のかさばる光学素子が必要です。

eLight に掲載された新しい論文の中で、モナシュ大学の Chi Li 博士と Haoran Ren 博士が率いる国際科学者チームは、SPE からの量子発光を構造化するための新しい多機能メタレンズを開発しました。

光ビームをさまざまな空間形式に任意に変換する機能は、量子光源にとって不可欠です。 メタサーフェスはフォトニック デザインの状況を一変させました。 これにより、光学イメージングやホログラフィーから LiDAR や分子センシングに至るまで、大きな技術進歩がもたらされました。

最近、SPE 発光の基本的な調整を収集および実証するために、ナノスケール エミッタをナノ構造共振器およびメタ表面に直接統合することが設計されました。 これらの初期の実証により、量子発光の操作を進歩させるには平面光学の必要性が生じました。

研究チームは、多機能メタレンズを設計およびエンジニアリングすることでこの問題に対処しました。 新しいメタレンズは、韓国の物理学者、Jaehyuck Jang 博士と Trevon Badloe 博士、および浦項科学技術大学の Junsuk Rho 教授によって製造されました。 方向性、偏光、軌道角運動量 (OAM) の自由度を同時に調整できます。 彼らはメタレンズを利用して、室温で動作する hBN 内の SPE からの量子発光の多次元構造を実証しました。

研究チームは、量子発光の方向性を任意に整形することを実証した。 彼らはまた、さまざまな螺旋波面をメタレンズのプロファイルに追加することができ、それが SPE の直交偏光における独特の OAM モードの生成につながることを示しました。 この画期的な実験研究は、イゴール・アハロノビッチ教授率いるシドニー工科大学とTMOS（オーストラリア研究評議会センター・オブ・エクセレンス）で実施されました。

複数の自由度での量子発光の任意の波面整形が実証されたことで、先進的な量子フォトニクスアプリケーションの高次元量子源として使用されるソリッドステートSPEの可能性を最大限に引き出すことができる可能性があります。

同チームの新技術は、室温で多自由度の量子発光の任意の波面整形に極薄メタオプティクスを使用するための新しいプラットフォームを提供する。 量子情報科学の分野に新たな洞察をもたらす可能性があります。 研究チームは、フィルタリングの改善により、光子の偏光を操作することで量子暗号と量子もつれの分布に大きな影響を与えることができると考えています。 偏光分離は、偏光もつれ光子対の生成に hBN SPE を将来使用するために不可欠です。

メタレンズの将来の拡張により、高次元の単一光子ハイブリッド量子状態の生成が可能になる可能性があります。 構造化されたSPEソースと光ファイバーなどの信頼できる伝送環境が将来統合されれば、より高い情報容量、ノイズに対する堅牢性、およびより優れたセキュリティを備えた量子ネットワークが約束される可能性があります。