Atgauti kvantinių emisijos metasurfų galią: kaip naujos kartos nanostruktūros keičia fotonikas ir kvantines technologijas. Sužinokite mokslo, taikymo sritis ir būsimas šio proveržio poveikio perspektyvas. (2025)

Įvadas į kvantinius emisijos metasurfus
Fundamentinė fizika: kvantiniai emisijos šaltiniai ir metasurfų sąveikos
Gamybos metodai ir medžiagų innovacijos
Pagrindinės taikymo sritys: kvantinė komunikacija, jutimas ir vaizdavimas
Naujausi proveržiai ir eksperimentiniai demonstracijų rezultatai
Integracija su fotoniniais ir kvantiniais circuitais
Rinkos augimas ir visuomenės susidomėjimas: 30% metinis tyrimų ir investicijų augimas
Iššūkiai: skaitmenimas, stabilumas ir komercinimas
Vykdomos institucijos ir pramonės dalyviai (pvz., ieee.org, nature.com, mit.edu)
Būsimos perspektyvos: štai kaip paskatinti plačiai naudojimą ir visuomenės poveikį
Šaltiniai ir nuorodos

Įvadas į kvantinius emisijos metasurfus

Kvantiniai emisijos metasurfai yra greitai besivystanti riba, kertanti kvantinės optikos, nanofotonikos ir medžiagų mokslo sritis. Šios inžineriniu būdu sukurtos dviem dimensijomis išdėstytos struktūros integruoja kvantinius emisijos šaltinius – tokius kaip kvantiniai taškai, spalvų centrai deimante arba atomui plonos medžiagos – į subvagmai išdėstytas paviršių struktūras, leidžiančias neprilygstamą kontrolę per vieno fotono emisiją ir manipuliavimą. Išskirtinė metasurfų geba pritaikyti šviesos ir materijos sąveikas nanometriniu lygmeniu skatina didelį susidomėjimą taikymu kvantinių informacijos apdorojime, saugiuose ryšiuose ir pažangiuose jutimuose.

Iki 2025 metų tyrimai kvantinių emisijos metasurfų spartėja, kurį skatina tiek gamybos metodų, tiek teorinio supratimo pažanga. Pagrindiniai pasiekimai apima deterministic požiūrius į vienkrypčius kvantinius emisijos šaltinius fotoninių nanostruktūrų viduje ir šių šaltinių integravimą su dielektrinėmis arba plasmoninėmis metasurfais, siekiant pagerinti emisijos greitį, krypti ir polarizacijos kontrolę. Pavyzdžiui, naujausi tyrimai parodė, kad vieno fotono emisijos šaltiniai gali būti integruoti į duomenų medžiagas, tokias kaip šešiakampis azoto nitridas, su metasurfais, kad būtų sukurtos tunable kvantinių šviesos šaltiniai. Šie pasiekimai remiasi pirmaujančiomis tyrimų institucijomis ir bendradarbiavimo iniciatyvomis visame pasaulyje, įskaitant pastangas iš Max Planck Society, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) ir National Institute of Standards and Technology (NIST).

Ši sritis taip pat stebi hibridinių platformų atsiradimą, kur kvantiniai emisijos šaltiniai yra prijungti prie rezonansinių nanostruktūrų, siekiant pasiekti stiprią šviesos ir materijos sąveiką. Tai leidžia realizuoti kvantinius metasurfus, galinčius manipuliuoti šviesos kvantinėmis būsenomis su didele tikslumu. Tuo pačiu metu, galingi gamybos metodai, tokie kaip elektronų spindulių litografija ir pažangios perdavimo technikos, yra tobulinami, kad leistų sukurti didelio ploto, reprodukuojamus metasurfus su įterptais kvantiniais emisijos šaltiniais.

Žvelgiant į priekį į artimiausius kelerius metus, kvantinių emisijos metasurfų ateitis atrodo labai perspektyvi. Tęsiami tyrimai siekia išspręsti iššūkius, susijusius su emisijos šaltinių homogeniškumu, integracija su fotoninėmis grandinėmis ir veikimu kambario temperatūroje. Kvantinių emisijos inžinerijos ir metasurfų projektavimo suartėjimas turėtų duoti kompaktiškus, vienoje sistemoje sujungtus kvantinius fotoninius įrenginius, atveriančius kelią praktinėms kvantinėms tinklams ir patobulintiems kvantiniams jutikliams. Įgyvendinus tarptautinius bendradarbiavimus ir finansavimo iniciatyvas, kvantinių emisijos metasurfai turi potencialą vaidinti esminį vaidmenį kitose kvantinėse technologijose.

Fundamentinė fizika: kvantiniai emisijos šaltiniai ir metasurfų sąveikos

Kvantiniai emisijos metasurfai yra sparčiai besivystanti sienos sritis nanofotonikoje, kur inžineriniai dviem dimensijomis formuoti medžiagos yra integruojami su kvantiniais emisijos šaltiniais – tokiais kaip kvantiniai taškai, spalvų centrai ar vieni molikulių – siekiant manipuliuoti šviesa kvantiniame lygyje. Pagrindinė fizika, pagrindžianti šias sistemas, apima sąveiką tarp diskretinių kvantinių būsenų ir metešurfų teikiamos pritaikytos elektromagnetinės aplinkos. Ši sąveika leidžia neprilygstamą kontrolę per emisijos savybes, įskaitant kryptį, polarizaciją ir fotonų statistiką.

Pastarieji metai parodė reikšmingą pažangą šių sąveikų supratime ir išnaudojime. 2023 ir 2024 metais tyrimų grupės demonstravo deterministinį poreikį tarp vieno kvantinio emisijos šaltinio ir dielektrinių metasurfų, pasiekdamos Purcell stiprinimą ir kryptinę emisiją su dideliu efektyvumu. Pavyzdžiui, eksperimentai su perėjimo metalų disulfido (TMD) monolayers, integruotais į dielektrinius nanoantennus, parodė kontroliuojamą vieno fotono emisiją su pritaikytomis polarizacijos būsenomis, kas yra esminis žingsnis link didelio masto kvantinių fotoninių grandinių. Teoriniai modeliai dabar tiksliai prognozuoja spontaninės emisijos greičių ir emisijos modelių modifikacijas, patvirtintas eksperimentiniais duomenimis iš pirmaujančių akademinių laboratorijų ir nacionalinių tyrimų institutų.

2025 m. centrinis dėmesys bus skiriamas stipriųjų sąveikų tyrimams, kur kvantinių emisijos šaltinių ir metasurfų rezonansų sąveika lemia hibridinių šviesos-materijos būsenų (polaritonių) susidarymą. Ši sąveika leidžia nuoseklią energijos apykaitą ir yra būtina kvantiniai informacijos apdorojimui ir mažo slenksčio nanolazeriams. Kelios tyrimų konsorciumai, įskaitant tuos, kuriuos koordinuoja Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) ir Max Planck Society, aktyviai tyrinėja šiuos efektus, naudodami tiek plasmoninius, tiek visiškai dielektrinius metasurfus.

Kohencijos ir nespecifiškumo klausimai: Pasiekti didelį kohenciją ir fotonų nespecifiškumą lieka iššūkis, ypač kambario temperatūroje. Naujausi pažanga medžiagų sintezėje ir nanofabrikoje, tokia kaip įtempimo inžinerija 2D medžiagose ir deterministinis emisijos šaltinių įrengimas, turėtų leisti tolesnį pagerėjimą 2025 m.
Integracija ir skaitmeninimas: Dabar intensyviai dirbama, kad kvantiniai emisijos metasurfai būtų integruoti su fotoninėmis integruotomis grandinėmis, išnaudojant silicino fotoniką. Tokios organizacijos kaip Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics ir Paul Scherrer Institute kuria skaitmenines gamybos metodikas, suderinamas su esamomis puslaidininkų technologijomis.
Kvantinis tinklas: Galimybė projektuoti emisijos savybes vienos fotono lygyje yra labai svarbi kvantinei komunikacijai. 2025 m. tikimasi, kad puslaidininkinius kvantiniai šaltiniai remtų nurodytas projektus ir kvantinius repetuotojus, kurių pagrindą sudarys metasurfų supratimas, su bendradarbiaujančiais projektais, remiamais National Science Foundation ir Europos kvantinės vėliavos.

Žvelgiant į ateitį, tikimasi, kad kvantinių emitentų ir metasurfų sąveika atvers naujus šviesos ir materijos sąveikos lygius, atverdama kelią kompaktiškiems kvantiniams įrenginiams ir pažangiems kvantiniams tinklams. Artimiausiais keleriais metais tikimasi pereiti nuo koncepcijų į praktinius prototipus, pasitelkiant tarpdisciplininį bendradarbiavimą ir pažangą nanofabrikoje, medžiagų mokslo ir kvantinės optikos srityse.

Gamybos metodai ir medžiagų inovacijos

Kvantiniai emisijos metasurfai yra greitai besivystanti sritis nanofotonikoje, kur gamybos metodai ir medžiagų inovacijos vaidina esminį vaidmenį jų plėtroje. Iki 2025 metų tyrimai ir pramoniniai pastangų konvergencija siekia sukurti skaitmenines, didelio tikslumo metodikas, kad būtų galima integruoti kvantinius emisijos šaltinius – tokius kaip kvantiniai taškai, spalvų centrai ir 2D medžiagų defektai – į inžinerinius metasurfus, naudojamus kvantinei informacijai, jutimui ir fotoninei grandinėms.

Svarbus tendencijos aspektas yra viršutinio nanofabriko metodų tobulinimas, įskaitant elektronų spindulių litografiją ir fokusuotų jonų spindulates, leidžiančias pattern’ą susidaryti metasurfus su mažesne nei 10 nanometrų tikslumu. Šios metodikos optimizuojamos, kad sumažintų pažeidimus jautriems kvantiniams emisijos šaltiniams per apdorojimą. Pavyzdžiui, deimantinių azoto-vakuuminių (NV) centrų integracija į fotonines struktūras gavo naudą iš plasma etchingo ir atominių sluoksnių depozicijos pažangos, leidžiančios tiksliai kontroliuoti emisijos šaltinių vietą ir vietos fotoninės aplinkos sąlygas. Tokios institucijos kaip Max Planck Society ir Massachusetts Institute of Technology yra šių išvystymų priešakyje, pranešdamos apie pagerintą kvantinę efektyvumą ir emisijos kryptingumą naujausiuose prototipuose.

Taip pat vis labiau populiarėja prieškabo metodai, ypač kuriant koloidinius kvantinius taškus ir 2D medžiagas, tokias kaip perėjimo metalų dichalcogenidai (TMD). Cheminė garų depocicija (CVD) ir molekulinė srauto epitaksija (MBE) yra optimizuojamos, kad būtų gaminami didelio ploto, didelio homogeniškumo filmai su įmontuotais kvantiniais emisijos šaltiniais. Prancūzijos nacionalinis mokslinių tyrimų centras (CNRS) ir RIKEN Japonijoje yra parodę TMD monolayerių didelinį augimą su vietiniu kontroliuojamais defektų šaltiniais, atverdamos kelią waferskalo gamybai.

Medžiagų inovacijos taip pat yra labai svarbios. Hibridinėse platformose, derinančiose tradicinius dielektrikus (pvz., silikono nitridas) su naujomis medžiagomis, tokiomis kaip šešiakampis boron nitridas (hBN) ir perovskitai, tiriama siekiant pagerinti emisijos savybes ir įrenginių stabilumą. Ypač hBN integracija leido pasiekti vieno fotono emisiją kambario temperatūroje, kas yra esminis pasiekimas praktiniams kvantiniams fotoniniams įrenginiams. Bendradarbiavimo projektai, kuriuose dalyvauja Paul Scherrer Institute ir École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), stumia medžiagų kokybės ir įrenginių reprodukuojamumo ribas.

Žvelgiant į ateitį, tikimasi, kad artimiausi kelerius metus pasirodys hibridiniai gamybos darbo procesai, derinant viršutinio litografijos tikslumą su apatinės sintezės skaitmenimu. Tikimasi, kad automatizuotos paėmimo ir vietos technikos, kaip ir pažanga in-situ charakterizacijoje, pagreitins perėjimą nuo laboratorinių demonstracijų prie gamininių kvantinių metasurfų įrenginių. Šios inovacijos turės esminę reikšmę siekiant pilnai išnaudoti kvantinių emisijos metasurfų potencialą kvantinėje komunikacijoje ir integruotoje fotonikoje.

Pagrindinės taikymo sritys: kvantinė komunikacija, jutimas ir vaizdavimas

Kvantiniai emisijos metasurfai – inžinerinių dviem dimensijomis šviesos šaltinių struktūros – greitai atsiranda kaip esminiai komponentai naujos kartos kvantinėse technologijose. Jų gebėjimas manipuliuoti šviesa kvantiniame lygyje su dideliu erdviniu ir spektriniu tikslumu atveria naujas erdves kvantinei komunikacijai, jutimui ir vaizdavimui. Iki 2025 metų tyrimai ir ankstyvosios komercijos sritys sujungia pastangas demonstruojant praktinius taikymo atvejus, o kelios pirmaujančios institucijos ir organizacijos yra priekyje.

Kvantinė komunikacija: Kvantinių emisijos metasurfų integracija į fotonines grandines leidžia generuoti ir kontroliuoti vienpusiuosius fotonus ir suporuotų fotonų poras, būtinas saugiai kvantinio raktų platinimui (QKD) ir kvantiniams tinklams. Naujausi demonstracijai parodė on-chip integraciją su kvantinių taškų metasurfais su bangolaidžiais, leidžiančius skaitmeninį ir tvirtą kvantinį šviesos šaltinį. Tyrimų grupių pastangos iš Max Planck Society ir CNRS pranešė apie metasurfus, galinčius generuoti deterministinę fotonų emisiją ir kontroliuoti polarizaciją, kurie yra kritiškai svarbūs kvantiniams repetuotojams ir ilgos distancijos kvantinei komunikacijai.
Kvantinis jutimas: Ekstremalus kvantinių emisijos šaltinių jautrumas jų aplinkai išnaudojamas nanoskalinių jutimo taikymų. Metasurfai, sudaryti iš spalvų centrų deimante arba defektų 2D medžiagose, kuriami siekiant aptikti mažus pokyčius magnetiniuose ir elektriniuose laukuose, temperatūroje ir deformacijose. 2025 metais bendradarbiavimo projektai, įtraukiant Paul Scherrer Institute ir National Institute of Standards and Technology, pažangina kvantinius metasurfų jutiklius su pagerinta erdvine raiška ir multiplexing galimybėmis, taikydami biomedicininei diagnostikai ir medžiagų mokslui.
Kvantinis vaizdavimas: Kvantinių emisijos metasurfai leidžia naujas vaizdavimo modalumus, kurie pranoksta klasikinėmis ribomis, tokiais kaip super-resoliucija ir vaizdas be sudarymo. Inžineruojant emisijos savybes ir kvantinių emisijos šaltinių erdvines išdėstymas, tyrėjai gali pritaikyti fotonų kvantines koreliacijas, o tai lemia geresnį vaizdo kontrastą ir informacijos atgaminimą. Tokios institucijos kaip University of Cambridge ir RIKEN demonstruoja prototipinius kvantinius vaizdavimo sistemas, kurios išnaudoja metasurfus, kad gautų aukštos kokybės, mažo apšvietimo vaizdus, turinčius potencialių poveikį gyvybės mokslui ir saugumui.

Žvelgiant į ateitį, tikimasi, kad artimiausi kelerius metus bus dar labiau integruojami kvantiniai emisijos metasurfai su silikono fotonikomis ir skaitmeninės gamybos procesais. Tai pagreitins jų diegimą kvantinės komunikacijos tinkluose, nešiojamuose kvantiniuose jutikliuose ir pažangiuose vaizdavimo platformose. Standartizavimo pastangos ir tarpdisciplininės bendradarbiavimo iniciatyvos, ypač Europoje ir Azijoje, greičiausiai paskatins perėjimą nuo laboratorinių demonstracijų prie praktinių taikymų, o kvantiniai emisijos metasurfai taps svarbiu kvantinių technologijų ekosistemos komponentu.

Naujausi proveržiai ir eksperimentiniai demonstracijų rezultatai

Kvantiniai emisijos metasurfai pastaraisiais metais sparčiai tobulėja, o 2025 m. žymi svarbią eksperimentinių proveržių laikotarpį. Šie metasurfai, integruojantys kvantinius emisijos šaltinius, tokius kaip kvantiniai taškai, spalvų centrai arba 2D medžiagos į inžinerinius nanostruktūras, leidžia neprilygstamą kontrolę per šviesos ir materijos sąveikas nanometriniu mastu.

Svarbus etapas buvo pasiektas demonstruojant kambario temperatūros vieno fotono emisiją iš kvantinių taškų, integruotų dielektriniuose metasurfų. Šis pasiekimas sprendžia ilgalaikių problema, kad kvantiniai fotoniniai įrenginiai veiktų už šaldymo aplinkos ribų, atverdamas kelią praktiniams kvantinės komunikacijos ir skaičiavimo komponentams. Tyrimų grupės iš pirmaujančių institucijų, įskaitant Max Planck Society ir CNRS, pranešė apie metasurfus, kurie ne tik pagerina emisijos greitį naudojant Purcell efektą, bet ir suteikia deterministinės kontrolės fotonų polarizacijai ir kryptingumui.

Kitas svarbus pasiekimas buvo perėjimo metalų dichalcogenidų (TMD) monolayerių, tokių kaip MoS₂ ir WSe₂, integracija su plasmoninėmis ir dielektrinėmis metasurfomis. Šios hibridinės sistemos parodė tunable kvantinę emisiją ir stiprių sąveikų režimus, kaip buvo parodyta bendradarbių darbu tarp Massachusetts Institute of Technology ir École Polytechnique Fédérale de Lausanne. Tokios platformos yra esminės didelio masto kvantinėms fotoninės grandinėms, nes jos leidžia on-chip manipuliuoti vienais fotonais ir suporuotomis būsenomis.

2024 ir ankstyvais 2025 metais, tyrėjai iš RIKEN ir Nacionalinio medžiagų mokslo instituto Japonijoje parodė elektriškai varomus kvantinius emisijos metasurfus, žingsnis link visiškai integruotų kvantinio šviesos šaltinių, suderinamų su esamomis puslaidininkų technologijomis. Šie įrenginiai rodo didelę šviesumą ir stabilumą, kurie yra būtini realaus pasaulio kvantiniams tinklams.

Žvelgdami į ateitį, šią sritį laukia tolesni proveržiai, tokie kaip kvantinių emisijos šaltinių deterministinė vieta, didelio masto gamyba ir integracija su fotoniniais bei elektroniniais circuitais. Pažangi nanofabriko, medžiagų mokslo ir kvantinės optikos sukonvergencija turėtų lemti metasurfus su pritaikytomis emisijos savybėmis, konfigūruojamumu ir suderinamumu su naujomis kvantinėmis technologijomis. Didėjant tarptautiniams bendradarbiavimams ir viešajam tyrimų finansavimui, kvantinių emisijos metasurfų vaidmuo kitose kvantinėje informacijoje ir fotoninėse įrenginiuose turėtų tapti esminiu.

Integracija su fotoniniais ir kvantiniais circuitais

Kvantinių emisijos metasurfų integracija su fotoniniais ir kvantiniais circuitais yra greitai besivystanti sritis, turinti ženklų reikšmę kvantinės informacijos apdorojimui, saugiems ryšiams ir pažangiam jutimui. Kvantinių emisijos metasurfų – inžinerinių dviem dimensijomis kvantinių emisijos šaltinių, tokių kaip kvantiniai taškai, spalvų centrai ar atomai ploni medžiagos – geba suteikti neprilygstamą kontrolę per šviesos ir materijos sąveiką nanometriniu mastu. Jų integracija su fotoniniais circuitais leidžia tikėtis, kad bus sukurtos didelio masto, on-chip kvantinės technologijos.

2025 m. tyrimai orientuoti į svarbių iššūkių, tokių kaip efektyvus ryšys tarp kvantinių emisijos šaltinių ir fotoninių bangolaidžių, determinuota emisijos šaltinių vieta ir konsistencijos užtikrinimas integruotose aplinkose, sprendimą. Ypač keletas pirmaujančių tyrimų institucijų ir organizacijų daro pažangą šioje srityje. Pavyzdžiui, Massachusetts Institute of Technology ir Stanford University demonstravo hibridines platformas, kur kvantiniai taškai ir spalvų centrai yra integruoti su silikono fotoninėmis grandinėmis, pasiekdami didelį vieno fotono emisijos greitį ir pagerintą nespecifiškumą. Šie pasiekimai yra kritiškai svarbūs kvantinių repetuotojų ir fotoninių kvantinių vartų realizavimui.

Pramoniniame fronte, IBM ir Intel investuoja į skaitmenines gamybas, kad integruotų kvantinius emisijos metasurfus su CMOS suderinamomis fotoninėmis platformomis. Jų pastangos skirtos kuriant kvantinio fotoninio lustus, kurie gali būti pagaminami naudojant esamą puslaidininkų infrastruktūrą, kas yra esminis žingsnis link komercinės galimybės. Tuo pačiu metu, Paul Scherrer Institute ir CERN tiria defektų centrų deimante ir silikono karbide naudojimą kaip stiprius kvantinius emisijos šaltinius, kurie gali būti integruoti su fotoniniais circuitais, siekiant pagerinti kvantinį jutimą ir komunikacijos taikymus.

Žvelgdami į artimiausius kelerius metus, ateitis atrodo perspektyvi. Europos Sąjungos Kvantinės Vėliavos programos ir JAV Nacionalinė kvantinė iniciatyva teikia reikšmingų finansų ir koordinavimo tyrimams su integruotomis kvantinėmis fotonikomis, įskaitant metasurfų požiūrius. Dėmesys koncentruojasi į didelio masto integraciją, klaidų taisymą ir moduliuotų kvantinių tinklų plėtojimą. Dėl gamybos metodų brandos ir medžiagų platformų įvairovės tikimasi, kad kvantinių emisijos metasurfų taps integriniais fotoninių ir kvantinių circuitų komponentais, leidžiančiais naujas funkcionalybes, tokias kaip on-chip suporintų fotonų paskirstymas ir kvantinė logika.

Apibendrinant, kvantinių emisijos metasurfų integracija su fotoniniais ir kvantiniais circuitais tikisi žymių proveržių 2025 m. ir vėliau, kuriuos paskatins prioritetiniai bendradarbiavimo pastangųrus, kurie initient ragaudame akademinių institucijų, pramonės lyderių ir vyriausybių iniciatyvų. Tikimasi, kad šie plėtojimai paspartins perėjimą nuo laboratorinių demonstracijų iki praktiškų kvantinių technologijų.

Rinkos augimas ir visuomenės susidomėjimas: 30% metinis tyrimų ir investicijų augimas

Kvantiniai emisijos metasurfai – konstruktai, sukurti kaip dvimačius medžiagų integruotuosius kvantinės šviesos šaltinius su nanostruktūriniais paviršiais – dabar patiria užsikimšimo padidėjimą tiek tyrimų, tiek investavimo srityse. Iki 2025 metų ši sritis rodo 30% metinius tyrimų ir finansavimo augimą, kurį skatina transformuojančių taikymų žada kvantinėje komunikacijoje, fotoniniame kompiuteryje ir pažangiuose jutikliuose.

Šis augimas matomas išplečiant vis daugiau recenzuotų publikacijų, patentų pateikimų ir bendradarbiavimo projektų tarp akademijos ir industrijos. Pagrindinės mokslinių tyrimų institucijos, tokios kaip Massachusetts Institute of Technology, Stanford University ir University of Cambridge, sukūrė specialias programas kvantinei fotonikai ir metasurfų inžinerijai. Šios pastangos yra papildomos nacionalinėmis iniciatyvomis, įskaitant National Science Foundation kvantinį šuolį, skirtą JAV, ir Prancūzijos nacionalinis mokslinių tyrimų centras (CNRS).

Korporacinėje srityje technologijų lyderiai, tokie kaip IBM ir Intel, investuoja į kvantinius emisijos metasurfus kaip savo kvantinio kompiuterijos ir fotonikos strategijų dalį. Startuoliai, specializuojantys kvantinėje fotonikoje, įskaitant tuos, kurie remiami Europos inovacijų tarybos, pritraukia reikšmingą rizikos kapitalą, reguliariai pasiekdami 10 milijonų dolerių sumą per 2024-2025 metų finansavimo raundus. Šis kapitalo srautas pagreitina laboratorijų perversmų perkėlimą į skaitmeninius prototipus ir komercinius produktus.

Visuomenės susidomėjimas taip pat auga, apie ką byloja didesnis dalyvavimas tarptautinėse konferencijose, tokiuose kaip SPIE Photonics West ir Optica (anksčiau OSA) Frontiers in Optics renginiuose, kur kvantinės metasurfai dabar yra pagrindinės temos. Išsilavinimo ir žiniasklaidos informavimas, vykdomas tokių organizacijų kaip Nature ir Science, dar labiau didina informuotumą apie šios technologijos galimą socialinį poveikį.

Žvelgdami į ateitį, tikimasi, kad kitais metais toliau augs tiek tyrimų, tiek investicijų sritys. Pagrindiniai veiksniai yra skatinimas saugių kvantinių komunikacijos tinklų, kvantinių prietaisų miniatiūrizavimas ir kvantinių emisijos šaltinių integracija su silikono fotonikomis. Suvokiant, kad valstybės finansavimas ir privatus investavimas sudaro sąlygas, kvantiniai emisijos metasurfai turėtų pereiti nuo eksperimentinių demonstracijų prie ankstyvosios komercijos, pažymint esminį etapą kvantinių technologijų evoliucijoje.

Iššūkiai: skaitmenimas, stabilumas ir komercinimas

Kvantiniai emisijos metasurfai – inžineriniai dviem dimensijomis kvantinės šviesos šaltiniai – yra priekyje ateities fotonikų technologijų srityje, žadanti proveržius kvantinėje komunikacijoje, jutime ir informacijos apdorojime. Tačiau, iki 2025 metų, šis laukas susiduria su reikšmingais iššūkiais skaitmenimo, stabilumo ir komercinimo srityse, kuriuos reikia spręsti, kad būtų galima pereiti nuo laboratorinių demonstracijų prie realių taikymų.

Skaitmenizavimas išlieka pagrindiniu iššūkiu. Dauguma šiuo metu demonstruotų kvantinių emisijos metasurfų remiasi tikslia vieno fotono emisijos šaltinio, tokio kaip kvantiniai taškai, deimanto spalvų centrai arba 2D medžiagų defektai, pritaikymu. Pasiekti vienodą, didelio ploto išdėstymą su deterministine šaltinio vieta ir nuosekliomis optinėmis savybėmis yra techniškai sudėtinga. Dabartinės gamybos metodikos, įskaitant elektronų spindulių litografiją ir paėmimo metodus, iš esmės yra mažai gamybos per klasės ir brangios. Bandama sukurti skaitmeninę apatinio sintezės ir savarankiškumo metodikas, tačiau reprodukcija ir derlius vis dar kelia rūpesčius. Pavyzdžiui, tyrimų grupės, įskaitant Max Planck Society ir CNRS, tiria cheminę garų depociją ir įtempimo inžineriją, norėdamos sukurti didelio masto, ordinuotas kvantinių emisijos šaltinių išdėstymas 2D medžiagose, tačiau šios metodikos vis dar šiuo etapu.

Stabilumas kvantinių emisijos šaltinių yra dar vienas kritinis klausimas. Dauguma emisijos šaltinių kenčia nuo spektrinio difuzijos, mirksėjimo ar fotobleaching, kas laikui bėgant mažina jų efektyvumą. Aplinkos veiksniai, kurių, pvz., temperatūros svyravimai, elektromagnetinis triukšmas ir paviršių užteršimas, dar labiau destabilizuoja emisijos savybes. Išoriniai suspaudimo metodai ir integracija su fotoniniais kristaliniais cavity ar dielektriniais metasurfais tyrinėjama siekiant pagerinti emisijos stabilumą ir fotonų ištraukimo efektyvumą. Tokioje organizacijoje kaip National Institute of Standards and Technology (NIST) aktyviai dirbama dėl matavimo standartų ir tvirtų įrenginių architektūrų, kad būtų galima spręsti šiuos iššūkius.

Komercinimo perspektyvos yra viltingos, tačiau susiduria su praktiniais barjerais. Kvantinių emisijos metasurfų integracija su esamais fotoniniais ir elektriniais platformomis reikalauja suderinamumo su standartiniais puslaidininkų apdorojimo ir pakavimo procesais. Pramonės žaidėjai, įskaitant IBM ir Intel, pradėjo tyrimų bendradarbiavimą su akademinėmis grupėmis, nagrinėdami hibridinės integracijos ir gamybos galimybę. Tačiau standartizuotų procesų trūkumas ir brangių medžiagų, naudojamų kai kuriuose kvantiniai šaltiniuose, trūkumas apriboja tiesioginį rinkos patekimą. Taip pat reikia atsižvelgti į reguliacinius ir tiekimo grandinių aspektus, ypač kai kalbama apie retas ar pavojingas medžiagas, naudojamas kai kuriuose kvantiniuose šaltiniuose.

Žvelgdama į ateitį, tikimasi, kad ateinančiais metais vyks palyginamas procesas skaitmenizuojant gamybą, gerinant šaltinio stabilumą ir bandomosios komercijos projektus, ypač kvantiniams-apsaugotiems komunikacijoms ir pažangiajam jutimui. Nuolat bendradarbiavimas tarp pirmaujančių tyrimo instituto, standartų institucijų ir pramonės įmonių bus būtinas šiems iššūkiams įveikti ir atskleisti pilną kvantinių emisijos metasurfų potencialą.

Vykdomos institucijos ir pramonės dalyviai (pvz., ieee.org, nature.com, mit.edu)

Kvantiniai emisijos metasurfai yra greitai besivystanti sritis, kertanti kvantinės optikos, nanofotonikos ir medžiagų mokslo srityje. Iki 2025 metų kai kurios pirmaujančios akademinės institucijos ir pramonės dalyviai skatina šios srities inovacijas, teikdami dėmesį kvantinių emisijos šaltinių – tokių kaip kvantiniai taškai, spalvų centrai ir 2D medžiagos – integracijai į inžinerinius metasurfus, taikomą kvantinėje komunikacijoje, jutime ir fotoninėse skaičiavimo sistemose.

Tarp akademinių lyderių, Massachusetts Institute of Technology (MIT) ir toliau yra priekyje, o jo kvantinės fotonikos grupė vykdo mokslinius tyrimus, skirtus deterministinei kvantinių emisijos šaltinių visiškai integravimo metasurfuose. MIT bendradarbiavimas su nacionalinėmis laboratorijomis ir pramonės partneriais pasiekė proveržių valdyti vieno fotono emisiją ir pagerinti šviesos ir materijos sąveikas nanometriniu lygmeniu.

Europoje, University of Cambridge ir ETH Zurich yra pripažintosi už savo darbą hibridinėms metasurfams, kurie suteikia galimybę sujungti kvantinius emisijos šaltinius su plasmoninėmis ir dielektrinėmis nanostruktūromis. Šios pastangos remiamos visos Europos iniciatyvų, tokių kaip Kvantinės Vėliavos, kuri koordinuoja mokslinių tyrimų ir plėtros procesus visame žemyne, siekiant paspartinti kvantines technologijas.

Pramonės srityje IBM ir Intel investuoja į kvantines fotonikos platformas, sutelkdami dėmesį į kvantinių emisijos metasurfų integravimą į gamybinius lustus. IBM mokslinių tyrimų skyrius tiria silikono karbido ir deimanto spalvų centrų naudojimą kaip stiprius, kambario temperatūros kvantinės emisijos šaltinius, tuo tarpu Intel pasitiki savo puslaidininkų gamybos patirtimi, kad sukurtų didelio ploto metasurfus, suderinamus su esamais fotoninėmis integruotomis grandinėmis.

Vyriausybių ir standartų organizacijos taip pat atlieka svarbų vaidmenį. IEEE fotonikos draugija aktyviai organizuoja konferencijas ir skelbia jų tyrimus recenzuotose žurnaluose apie kvantinius metasurfus, skatinančius bendradarbiavimą tarp akademijos ir pramonės. Tuo tarpu National Institute of Standards and Technology (NIST) dirba dėl matavimo standartų vieno fotono šaltinių ir kvantinių metasurfų charakterizavimui, kurie yra esminiai komercinimui ir tarpusavio suderinamumui.

Žvelgdami į ateitį, tikimasi, kad artimiausiais keleriais metais padidės akademinių pasiekimų ir pramoninių mastelių sprendimai. Su nuolatiniu investavimu ir tarptautiniais bendradarbiavimais kvantinių emisijos metasurfai turėtų pereiti nuo laboratorinių demonstracijų prie ankstyvų komercinių prototipų, ypač saugiuose kvantiniuose komunikacijos ir pažangiuose vaizdavimo sistemose.

Būsimos perspektyvos: štai kaip paskatinti plačiai naudojimą ir visuomenės poveikį

Kvantiniai emisijos metasurfai – inžineriniai dviem dimensijomis medžiagos elementai, integruojantys kvantinius šviesos šaltinius ir nanostruktūrinius paviršius – turėtų atlikti transformuojantį vaidmenį fotonikoje, kvantinėje informacijoje ir jutimo technologijose artimiausius kelerius metus. Iki 2025 metų ši sritis pereina nuo fundamentalių tyrimų prie ankstyvo prototipo, turėdama aiškią strategiją link mąsto gamybos ir realių taikymų.

Svarbūs tyrimų institutai ir konsorciumai, tokie kaip Max Planck Society, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) ir National Institute of Standards and Technology (NIST), aktyviai kuria kvantinius metasurfus su pagerintais fotonų nespecifiškumu, emisijos greičiais ir integracija su fotoniniais circuitais. 2024 m. kelios grupės demonstravo deterministinį kvantinių taškų ir spalvų centrų vietą 2D medžiagose, pasiekdamos vieno fotono emisiją telekomunikacijų bangose – esminį sukūrimui kvantinėse komunikacijos tinkluose.

Kitaip tariant, artimiausi metai, tikėtina, matys pažangą didelio ploto gamybos technikose, tokiuose kaip wafer-scale perdavimo ir litografija, leidžiančios sukurti metasurfus su tūkstančiais individualiai adresuotų kvantinių emisijos šaltinių. Ši didelė gamyba yra esminė taikymams kvantiniame kompiuteryje, kur klaidų taisymas ir kelis kartus didesni šaltiniai reikalauja tokios emisijos šaltinių išdėstymo. Bendradarbiavimo projektai, įskaitant tuos, kurie remiami Europos komisijos ir Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), orientuoti siekiant integracijos su silikono fotonikomis ir CMOS suderinamomis procesais, tikimasi, kad sukurs hibridinius kvantinius-klasikinius lustus iki 2020-ųjų pabaigos.

Visuomenės poveikio tikimasi keliuose srityse. Saugios komunikacijos srityje kvantinių emisijos metasurfai turėtų tapti ateities kvantinių raktų platinimo (QKD) sistemų pagrindu, suteikdami padidintą saugumą finansų, vyriausybių ir kritinės infrastruktūros sektoriuose. Medicinos srityje jų pritaikymas ultrajautriuose biosensoriuose ir vaizdavime, galėtų mūsų gyvenimo ankstyvą ligų nustatymą ir naujų diagnostikos metodų atsiradimą. Be to, galimybė kurti ir manipuliuoti kvantinėmis šviesos sąlygomis galėtų paspartinti kvantinės interneto mazgų kūrimą ir specializuotų kvantinių kompiuterių architektūras.

Iššūkiai išlieka, ypač siekiant pasiekti kambario temperatūros veikimą, ilgalaikį emisijos šaltinių stabilumą ir sklandžią integraciją su esamomis fotoninėmis platformomis. Tačiau, remiantis nuolatiniu vyriausybinio agentūrų ir pramonės investavimu, taip pat tarptautinių standartų įsteigimu, kaip Tarptautinė standartizacijos organizacija (ISO), planas į plačiai naudojamas darosi vis labiau apibrėžtas. Iki dešimtmečio pabaigos kvantinių emisijos metasurfų tikimasi, kad jie pereis nuo laboratorinės smagumo prie fundamentalių komponentų kvantinėje technologijos srityje.

Šaltiniai ir nuorodos

CATCHING LIGHT RAYS: Making Light Work at Nanoscale

Watch this video on YouTube

Kvantiniai siųstuvai metaforose: šviesos kontrolės revoliucija nano mastu (2025)

ByQuinn Parker