Tutkijat käyttävät kvanttiinhaumaa saavuttaakseen “ultralaajan kaistan”

Rochesterin yliopiston tutkijat ovat hyödyntäneet kvanttiinhaumaa saavuttaakseen uskomattoman suuren kaistan. He tekivät tämän käyttämällä ohutta elokuvaa nanofotoniikka laitteessa. 

Tämä uusi lähestymistapa voi johtaa parantuneeseen herkkyyteen ja resoluutioon mittauksissa ja anturien kokeissa, sekä korkeampiulotteiseen koodaukseen kvantti verkostoissa tietojen prosessoinnissa ja viestinnässä. 

Tutkimus julkaistiin Physical Review Letters. 

Kvanttiinhauma

Kvanttiinhauma tapahtuu, kun kaksi kvanttihiukkasta ovat kytketty toisiinsa, ja tämä voi tapahtua jopa silloin, kun ne ovat erittäin kaukana toisistaan. Yhden hiukkasen havainnointi vaikuttaa toiseen, osoittaen, miten ne viestivät toisilleen. 

Kun fotonit tulevat kuvioon ja osallistuvat inhaumaan, on paljon enemmän mahdollisuuksia. Esimerkiksi fotonien taajuuksia voidaan inhaumata ja kaistaa voidaan säätää. 

Qiang Lin on sähkö- ja tietokonetekniikan professori. 

“Tämä työ edustaa suurta harppausta eteenpäin ultralaajan kvanttiinhauman tuottamisessa nanofotoniikka sirulla,” Lin sanoo. “Ja se osoittaa nanoteknologian voiman tulevien kvanttilaitteiden kehittämisessä viestinnässä, laskennassa ja mittauksessa.”

Valon laajakaistainen inhauma

Nykyiset laitteet usein riippuvat massiivisen kiteen jakamisesta pieniin osiin valon laajakaistaisen inhauman tuottamiseksi. Kunkin osan optiset ominaisuudet vaihtelevat hieman ja tuottavat eri taajuuksia fotonipareille. Lisäämällä nämä taajuuksia yhteen, voidaan saavuttaa laajempi kaista. 

Usman Javid on tohtorikoulutettava Linin laboratoriossa ja tutkimuksen ensisijainen tekijä.

“Tämä on melko tehokasta ja se tulee kustannuksella vähennetyn kirkkauden ja puhdistuvuuden fotonipareille,” Javid sanoo. “Aina on kompromissi kaistan ja tuotetun fotoniparin kirkkauden välillä, ja on valittava kumpi niistä. Olemme kiertäneet tämän kompromissin dispersion suunnittelutekniikalla saadaksemme molemmat: ennätyksellisen suuren kaistan ennätyksellisellä kirkkaudella.”

Tutkijaryhmän kehittämä uusi, ohut elokuva litiiumniobaatti nanofotoniikka laite perustuu yhteen aaltojohtimeen, jossa on sähködit elektrodeja kummallakin puolella. Kun massiivinen laite voi olla millimetrien levyinen, ohut elokuva laite on erittäin vaikuttava 600 nanometrin paksuudellaan. Tämä tekee siitä miljoona kertaa pienemmän poikkileikkaukseltaan kuin massiivinen kite, mikä tekee valon etenemisestä erittäin herkkää aaltojohtimen mitoituksille. 

Vain muutamien nanometrien muutoksella voidaan aiheuttaa suuria muutoksia valon vaiheeseen ja ryhmänopeuteen, joka etenee laitteessa. Tämän vuoksi laite sallii säätämisen kaistassa, jossa parin tuottamisprosessi on momentum-matched.

“Voimme ratkaista parametrioptimoimisongelman löytääksesi geometrian, joka maksimoi tämän kaistan,” Javid sanoo. 

Laitteen käyttöönotto

Tutkijaryhmällä on laite valmiina käyttöönottoa laboratoriossa, mutta jos sitä on tarkoitus käyttää kaupallisesti, heidän on keksittävä tehokkaampi ja halvempi valmistusprosessi. 

Litiiumniobaatin valmistus on edelleen alkuvaiheessa, ja taloudellinen puoli on parannettava. 

Tutkijaryhmä työskenteli tutkimuksessa yhteistyössä coauthorien Jingwei Lingin, Mingxiao Lin ja Yang Hen kanssa sähkö- ja tietokonetekniikan osastolta. Projektiin osallistui myös Jeremy Staffa Institute of Opticsista.