Forskere bruger kvanteforbindelse til at opnå “Ultrabroadband”

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

Denne nye tilgang kan føre til forbedret følsomhed og opløsning for eksperimenter i metrologi og sensing, samt højere dimensionel 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 ultrabroadband kvanteforbindelse på en nanofotondisk,” siger Lin. “Og det demonstrerer kraften af nanoteknologi til udvikling af fremtidige kvanteenheder til kommunikation, beregning og sensing.”

Broadband-forbindelse af lys

Nuværende enheder afhænger ofte af at opdele en bulkkrystal i små sektioner for at generere broadband-forbindelse 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 en balance mellem båndbredden og lysstyrken af de genererede fotonpar, og man må vælge mellem de to. Vi har fuldstændigt omgået denne balance med vores dispersionsteknik til at få begge: en rekordhøj båndbredde ved en rekordhøj lysstyrke.”

Den nyligt udviklede, tyndfilms lithiumniobat nanofotondisk enhed, som holdet har skabt, afhænger af en enkelt bølgeleder med elektroder på begge sider. Mens en bulk-enhed kan være millimeter bred, er den tyndfilms-enhed ekstremt imponerende i sin tykkelse på 600 nanometer. Dette gør den en million gange mindre i tværsnitsareal end en bulkkrystal, hvilket gør lysudbredelsen ekstremt følsom over for bølgelederdimensionerne. 

Der kan være store ændringer i fasen og gruppehastigheden af lyset, der udbreder sig gennem enheden, blot med en variation på få nanometer. Dette gør, at enheden tillader kontrol over båndbredden, hvor par-genereringsprocessen er momentum-matcheret.

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

Udrulning af enheden

Holdet har enheden klar til at blive udrullet 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. 

Holdet 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.