Forskere bruger kvanteforbindelse til at opnå “ultrabredbånd”

Forskere ved University of Rochester har udnyttet kvanteforbindelse til at opnå utroligt stor båndbredde. De gjorde dette ved at bruge en tyndfilms nanofotonisk enhed.

Denne nye tilgang kan føre til forbedret følsomhed og opløsning for eksperimenter i metrologi og sensing, samt højere dimensioner for kodning af information i kvante-netværk til informationsbehandling og kommunikation.

Forskningen blev offentliggjort i Physical Review Letters.

Kvanteforbindelse

Kvanteforbindelse sker, når to kvantepartikler er forbundet til hinanden, og dette kan ske selv når de er ekstremt langt fra hinanden. En observation af en partikel påvirker den anden, og demonstrerer hvordan de kommunikerer med hinanden.

Når fotoner kommer ind i billedet og bliver involveret i forbindelsen, er der mange flere muligheder. For eksempel kan fotonernes frekvenser være forbundet, og båndbredden kan kontrolleres.

Qiang Lin er professor i elektroteknik og datateknik.

“Dette arbejde repræsenterer et stort spring fremad i produktionen af ultrabredbåndskvanteforbindelse på en nanofotonisk chip,” siger Lin. “Og det demonstrerer kraften af nanoteknologi til udvikling af fremtidige kvanteenheder til kommunikation, beregning og sensing.”

Bredbåndskvanteforbindelse af lys

Nuværende enheder afhænger ofte af at dele en bulkkrystal op i små sektioner for at generere bredbåndskvanteforbindelse af lys. Hver af disse sektioner varierer lidt i optiske egenskaber og genererer forskellige frekvenser af fotonpar. Ved at kombinere disse frekvenser kan en større båndbredde opnås.

Usman Javid er en ph.d.-studerende i Lins laboratorium og hovedforfatter af artiklen.

“Dette er ret ineffektivt og kommer med en pris af reduceret lysstyrke og renhed af fotonerne,” siger Javid. “Der vil altid være et kompromis mellem båndbredden og lysstyrken af de genererede fotonpar, og man må vælge mellem de to. Vi har fuldstændigt omgået dette kompromis med vores dispersionsteknik til at få både en rekordhøj båndbredde og en rekordhøj lysstyrke.”

Den nyligt udviklede, tyndfilms lithiumniobat nanofotoniske enhed, som er skabt af teamet, afhænger af en enkelt bølgeleder med elektroder på begge sider. Mens en bulk-enhed kan være millimeter bred, er den tyndfilms-enhed ekstremt imponerende med en tykkelse på 600 nanometer. Dette gør den en million gange mindre i tværsnitsareal end en bulkkrystal, og propagationen af lys er ekstremt følsom over for bølgeleder-dimensionerne.

Der kan være store ændringer i fasen og gruppehastigheden af lyset, der propagerer gennem enheden, blot med en variation på få nanometer. På grund af dette giver enheden mulighed for kontrol over båndbredden, hvor par-genereringsprocessen er momentum-matcheret.

“Vi kan løse et parameteroptimeringsproblem for at finde geometrien, der maksimerer denne båndbredde,” siger Javid.

Installation af enheden

Teamet har enheden klar til at blive installeret i eksperimenter i et laboratorium, men hvis den skal bruges kommercielt, må de finde en mere effektiv og billigere fremstillingsproces.

Lithiumniobat-fremstilling er stadig i sin barndom, og den økonomiske aspekt må forbedres.

Teamet arbejdede på forskningen sammen med medforfatterne Jingwei Ling, Mingxiao Li og Yang He fra afdelingen for elektroteknik og datateknik. Projektet inkluderede også Jeremy Staffa fra Institute of Optics.