Forscher nutzen Quantenverschränkung, um “Ultrabreitband” zu erreichen

Forscher an der University of Rochester haben Quantenverschränkung genutzt, um unglaublich große Bandbreiten zu erreichen. Sie haben dies durch die Verwendung eines dünnen nanophotonischen Geräts erreicht.

Dieser neue Ansatz könnte zu verbesserter Empfindlichkeit und Auflösung für Experimente in der Metrologie und Sensorik sowie zu höherer dimensionaler Kodierung von Informationen in Quantennetzen für Informationsverarbeitung und Kommunikation führen.

Die Forschung wurde in Physical Review Letters veröffentlicht.

Quantenverschränkung

Quantenverschränkung tritt auf, wenn zwei Quantenteilchen miteinander verbunden sind, und dies kann sogar dann geschehen, wenn sie extrem weit voneinander entfernt sind. Eine Beobachtung eines Teilchens beeinflusst das andere, was zeigt, wie sie miteinander kommunizieren.

Wenn Photonen ins Spiel kommen und an der Verschränkung beteiligt sind, gibt es viele mehr Möglichkeiten. Zum Beispiel können die Frequenzen der Photonen verschränkt und die Bandbreite kontrolliert werden.

Qiang Lin ist Professor für Elektrotechnik und Informatik.

“Diese Arbeit stellt einen großen Schritt nach vorne bei der Erzeugung von ultrabreitbandiger Quantenverschränkung auf einem nanophotonischen Chip dar”, sagt Lin. “Und sie zeigt die Macht der Nanotechnologie für die Entwicklung zukünftiger Quantengeräte für Kommunikation, Rechnen und Sensorik.”

Breitband-Verschränkung von Licht

Aktuelle Geräte verlassen sich oft auf die Aufteilung eines Massenkristalls in kleine Abschnitte, um breitbandige Verschränkung von Licht zu erzeugen. Jeder dieser Abschnitte weicht leicht in seinen optischen Eigenschaften ab und erzeugt unterschiedliche Frequenzen der Photonenpaare. Durch die Kombination dieser Frequenzen kann eine größere Bandbreite erreicht werden.

Usman Javid ist ein PhD-Student in Lin’s Labor und Erstautor des Papiers.

“Dies ist sehr ineffizient und geht auf Kosten der verringerten Helligkeit und Reinheit der Photonen”, sagt Javid. “Es wird immer ein Kompromiss zwischen der Bandbreite und der Helligkeit der erzeugten Photonenpaare geben, und man muss eine Wahl zwischen den beiden treffen. Wir haben diesen Kompromiss mit unserer Dispersionstechnik vollständig umgangen, um beides zu erhalten: eine Rekord-Bandbreite bei einer Rekord-Helligkeit.”

Das neu entwickelte, dünne Lithium-Niobat-Nanophotonik-Gerät, das von dem Team erstellt wurde, basiert auf einer einzigen Wellenleiter mit Elektroden auf beiden Seiten. Während ein Massengerät millimetergroß sein kann, ist das dünne Gerät mit einer Dicke von 600 Nanometern extrem beeindruckend. Dies macht es um ein Million Mal kleiner in seiner Querschnittsfläche als ein Massenkristall, was die Ausbreitung von Licht extrem empfindlich auf die Wellenleiter-Dimensionen macht.

Es können große Änderungen in der Phase und Gruppengeschwindigkeit des Lichts, das durch das Gerät propagiert, durch eine Variation von nur wenigen Nanometern hervorgerufen werden. Da dies der Fall ist, ermöglicht das Gerät die Kontrolle über die Bandbreite, in der der Paar-Erzeugungsprozess impuls-matched ist.

“Wir können ein Parameter-Optimierungsproblem lösen, um die Geometrie zu finden, die diese Bandbreite maximiert”, sagt Javid.

Einsetzen des Geräts

Das Team hat das Gerät bereit, um in Experimenten in einem Labor-Setting eingesetzt zu werden, aber wenn es kommerziell eingesetzt werden soll, müssen sie einen effizienteren und günstigeren Fertigungsprozess entwickeln.

Die Lithium-Niobat-Fertigung ist noch in den Kinderschuhen, und der finanzielle Aspekt muss verbessert werden.

Das Team arbeitete an der Forschung zusammen mit den Co-Autoren Jingwei Ling, Mingxiao Li und Yang He von der Abteilung für Elektrotechnik und Informatik. Das Projekt umfasste auch Jeremy Staffa vom Institut für Optik.