Tutkijat käyttävät kvanttiinhaumaa saavuttaakseen “ultralaajan kaistan”

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

Tämä uusi lähestymistapa voi johtaa parantuneeseen herkkyyteen ja resoluutioon mittauksissa ja havainnoissa, sekä korkeampiulotteiseen koodaukseen kvanttitietoverkoissa tietokoneissa ja viestinnässä.

Tutkimus julkaistiin Physical Review Letters -julkaisussa.

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 toisiinsa.

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

Qiang Lin on sähkö- ja tietokonetekniikan professori.

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

Laajakaistainen valon inhauma

Nykyiset laitteet usein riippuvat massiivisen kiteen jakamisesta pieniin osiin valon laajakaistaisen inhauman tuottamiseksi. Kukin näistä osista vaihtelee hieman optisissa ominaisuuksissa ja tuottaa eri taajuuksia fotonipareille. Yhdistämällä nämä taajuuksia, voidaan saavuttaa laajempi kaistanleveys.

Usman Javid on tohtorikoulutettava Linin laboratoriossa ja tutkimuksen ensisijainen tekijä.

“Tämä on melko tehokasta ja tulee kustannuksella vähennetystä fotonien kirkkaudesta ja puhtaudesta”, Javid sanoo. “On aina kompromissi kaistanleveyden ja tuotetun fotoniparin kirkkauden välillä, ja on valittava yksi näistä kahdesta. Olemme täysin kiertäneet tämän kompromissin dispersio-tekniikalla saadaksemme molemmat: ennätyksellisen suuren kaistanleveyden ennätyksellisen suurella kirkkaudella.”

Uuden, ohuen elokuvan litiumniobaatti nanofotoniikan laitteen, jonka tiimi on kehittänyt, perustuu yhteen aaltojohtimeen, jossa on molemmin puolin elektrodeja. Kun massiivinen laite voi olla millimetrien levyinen, ohut elokuva on erittäin vaikuttava 600 nanometrin paksuudellaan. Tämä tekee siitä miljoona kertaa pienemmän poikittaispinta-alaltaan kuin massiivinen kiteen, mikä tekee valon etenemisen erittäin herkkäksi aaltojohtimen mitoille.

Vain muutamia nanometrien muutoksia voidaan tehdä aaltojohtimen mitoissa, mikä voi aiheuttaa suuria muutoksia valon vaiheen ja ryhmänopeuden etenemisessä laitteessa. Tämän vuoksi laite sallii valvonnan kaistanleveydestä, jossa parin tuottamisprosessi on momentum-matched.

“Voimme ratkaista parametrin optimointiongelman löytääksesi geometrian, joka maksimoi tämän kaistanleveyden”, Javid sanoo.

Laitteen käyttöönotto

Tiimi on valmis käyttöönottoon laitetta laboratoriotutkimuksiin, mutta jos se on tarkoitus käyttää kaupallisesti, heidän on keksittävä tehokkaampi ja halvempi valmistusprosessi.

Litiumniobaatti valmistus on edelleen vasta alkuvaiheessa, ja taloudellinen puoli on parannettava.

Tiimi työskenteli tutkimuksessa yhteistyössä Jingwei Lingin, Mingxiao Lin ja Yang Hen kanssa sähkö- ja tietokonetekniikan osastolta. Projektiin osallistui myös Jeremy Staffa Optiikan instituutista.