Материал с нулевым показателем преломления для квантовых компьютеров

Метаматериал с нулевым коэффициентом преломления
Новый материал с нулевым показателем преломления представляет собой массив кремниевых колонн, встроенных в полимерную матрицу и покрытых золотой плёнкой. Иллюстрация Питера Аллена (Peter Allen), Гарвард.

Исследователи из Гарвардского университета (США) сообщили о разработке метаматериала, у которого показатель преломления равен нулю. В таком веществе фазовая скорость света равна бесконечности. Это не первый материал с подобными свойствами, однако впервые в мире он интегрирован в микросхему, а значит, необычные свойства волновода можно использовать для оптической обработки данных или квантовых вычислений.

Новый метаматериал был разработан в лаборатории Эрика Мазура (Eric Mazur) в Школе инженерных и прикладных наук (School of Engineering and Applied Sciences, SEAS) при Гарвардском университете.

Показатель преломления характеризует отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде и в обычных материалах имеет значение больше единицы. При попадании волны в среду с бо́льшим показателем преломления её длина волны уменьшается. И наоборот, при выходе в среду с меньшим показателем преломления длина волны увеличивается: расстояние между гребнями возрастает.

Однако в метаматериалах показатель преломления может быть меньше единицы, и в таких средах скорость перемещения фазы волны превышает скорость света. В материале с нулевым показателем преломления волна «раздвигается» настолько, что по всей её длине в каждый момент времени существует одно и то же значение фазы. Волна осциллирует только во времени, но не в пространстве.

Постоянная фаза по всей длине луча позволяет различным образом растягивать и сжимать свет, поворачивать и скручивать его, изменять диаметр луча в диапазоне от макроскопических до наномасштабов. При этом всё это осуществляется без потери энергии волны.

«Применение интегрированных фотонных микросхем затруднительно из-за слабого и малоэффективного удержания оптической энергии в обычных кремниевых волноводах, — говорит Ян Ли (Yang Li), ведущий автор научной работы. — Данный метаматериал с нулевым коэффициентом преломления является решением, позволяющим удерживать электромагнитную энергию в волноводах различной конфигурации, так как большая внутренняя фазовая скорость обеспечивает полную передачу вне зависимости от того, как сконфигурирован материал».

Метаматериал состоит из массива кремниевых колонн, встроенных в полимерную матрицу и покрытых золотой плёнкой. Он может стыковаться с кремниевыми волноводами и таким образом быть подключённым к стандартным элементам интегрированной фотоники.

В квантовой оптике отсутствие фазового сдвига позволило бы квантовым излучателям в резонаторе или волноводе с нулевым коэффициентом преломления излучать фотоны, которые всегда находятся в фазе друг с другом, — рассказал Филип Муньос (Philip Muñoz), один из соавторов работы. — «Это может также улучшить запутанность между кубитами, так как входящие волны света эффективно распространяются и при этом бесконечно длинны, что позволяет запутывать даже удалённые частицы».