A projekt címe: Meta-anyagokkal optimalizált kvantum-információ feldolgozás

A projekt azonosító száma: 2025-1.2.1-HU-RIZONT-2025-00107

A kedvezményezett neve: Szegedi Tudományegyetem

A szerződött támogatás összege: 398 644 695Ft

A támogatás mértéke (%-ban): 100%

A projekt megvalósítás időszaka: 2026.01.01. – 2028.12.31.

Projektmenedzser: Alattyányi István

Pénzügyi vezető: Szigetiné Koszár Anna

Szakmai vezető: Dr. Csete Mária

A projekt tartalmának bemutatása:

A „Meta-anyagokkal optimalizált kvantum-információ feldolgozás” című HU-rizont projekt célja olyan integrált kvantumoptikai rendszerek fejlesztése, amelyek nemklasszikus fényforrások, gyémánt színcentrum alapú egy-foton emitterek, nanolézerek; szupravezető nanohuzalokon alapuló egy-foton detektorok (SNSPD); valamint újgenerációs meta-anyag (MM) struktúrák együttes alkalmazásával valósítanak meg új funkcionalitást és lehetővé teszik a kvantumoptikai eszközök karakterisztikájának szignifikáns javítását.

Az SZTE TTIK OKT Nanoplazmonika és Meta-anyagok Kutatócsoport által kifejlesztett numerikus módszer komplex FEM-alapú szimulációs modulokat, a meta-anyagok topológiai tulajdonságainak és effektív optikai paramétereinek meghatározására alkalmas eljárásokat; valamint kritériumos optimalizálásra is alkalmazható célfüggvényeken alapuló algoritmust is tartalmaz. Az eljárással az integrált nanofotonikai rendszerek konfiguráció-paramétereinek csoportja meghatározható és célfüggvényként alkalmazható.

A nitrogén-vakancia (NV) gyémánt színcentrum kiváló egy-foton forrás, mivel stabil és jól definiált emissziót, a spin-polarizáció összefonódás révén spin kiolvasást biztosít hosszú koherenciaidővel, akár szobahőmérsékleten is, továbbá lehetőséget nyújt az ODMR-alapú kvantum szenzorizációra is. Az ODMR kontraszt növeléséhez az átmenetek dinamikáját MM-kal kölcsönhatás révén változtatjuk meg.

Az SNSPD-k magas hatásfokkal rendelkeznek, amivel alkalmasak egyetlen foton detektálására, előnyeik közé tartozik a gyors válaszidő és a rendkívül alacsony sötétáram is, ami fontos a kódolt kvantuminformáció kiolvasásához. Az információ de-kódolásra a polarizáció és a fény intenzitáseloszlásában megmutatkozó pályamomentum (OAM) kiolvasása is MM-ok integrálásával érhető el.

A meta-anyagok mesterséges periodikus struktúrákat tartalmaznak, amelyek lehetővé teszik az elektromágneses hullámok manipulálását korábban nem megvalósítható módon: létrehozhatók Dirac-kúpszerű diszperzióval rendelkező mintázatok, epsilon/mu-near-zero (E/MNZ) közegek, topológiai szerkezetek, a módus-szerkezetben történő fázisátalakulás során kivételes pontot vagy szingularitást eredményező anyagok. Ezen jelenségekkel a kvantum-emisszió növelhető és konfigurálható, ezzel hatékony, nemklasszikus fényforrásokat létrehozva az on-chip fotonikai eszközökhöz a QIP, molekuláris detektálás és alacsony küszöbű nanolézerekben történő alkalmazások céljaira. A MM-ok szerkezetével megváltoztatható diszperzió lehetővé teszi a terjedési sebesség kontrollját, a fázis illesztését, az optikai egyenirányítást, nagy módus-sűrűséget és intenzitást, a térbeli-időbeli karakterisztika meghatározását. A projekt keretében a teljesítményt és funkcionalitást javító, valamint adaptív, MEMS-alapú és Moiré-típusú MM-okat tervezünk és vizsgálunk, amelyek lehetővé teszik a fotonikus állapotok dinamikus és programozható szabályozását.

A konfigurációk numerikus optimalizálása biztosítja, hogy a nanofotonikai eszközök az újszerű kódolási eljárásokhoz a legjobb teljesítményt nyújtsák, egyben rövidíti a tervezési és tesztelési fázist. Ezt követi az integrált nemklasszikus fényforrás ꟷ meta-anyag ꟷ detektor konfigurációk prototípusának elkészítése és tesztelése nemzetközi partnereink laboratóriumaiban. Fontos szerepet kap a kísérleti karakterizáció és validáció, amelynek során összevetjük a numerikus számolásokat a kísérletileg meghatározott tulajdonságokkal. A projekt eredményeként kialakuló rendszerek kulcsfontosságúak a jövőbeli kvantuminformatikai és kvantumkommunikációs alkalmazások területén.

Az optimalizált nanofotonikai elemek fejlesztésébe nemzetközi szakértők, magasan kvalifikált tudósok kutatócsoportjai is bekapcsolódnak:

Prof. Fedor Jelezko (Ulmi Egyetem) a kvantumtechnológia szakértője, csoportja a kvantumállapotok manipulálásának modellezése, a gyémánt színcentrumok és plazmonikus meta-anyag struktúrák összekapcsolása terén működik közre.

Prof. Val Zwiller (KTH) a Single Quantum vállalat tudományos igazgatója, az általuk elkészített SNSPD prototípusokkal demonstráljuk az integrált MM struktúrákkal elérhető optimális dekódolási funkciót és maximális detektálási hatásfokot.

Prof. Eric Mazur (Harvard Egyetem) nemzetközileg elismert szakértő a fotonika, nanofotonika és meta-anyag-tudományban. Kutatócsoportja újra-konfigurálható, többrétegű topológiai (Moiré-típusú) fotonikus jelenségeket eredményező MM-okat hoz létre, amelyekkel a valós és szintetikus térben is monitorozható a polarizációban kódolt információ, igazolható meronok és skyrmionok létezése.

Prof. Maria Kafesaki (FORTH) széles körű szakértelemmel rendelkezik a királis, nemreciprok és PT szimmetrikus MM-ok tervezése és vizsgálata terén. Kutatócsoportja a passzív és aktív meta-anyagok létrehozásában és karakterizálásában vesz részt.

Prof. Maxim Durach (Georgia Southern Egyetem) és csoportjának a MM-ok bianizotróp permittivitás-mátrixának meghatározására kiterjesztett módszere lehetővé teszi a magneto-elektromos nemreciprok jelenségek megértését.