Onderzoekers gebruiken kwantumverstrengeling om "ultraroadband" te bereiken

Onderzoekers van de Universiteit van Rochester hebben kwantumverstrengeling gebruikt om een ​​ongelooflijk grote bandbreedte te bereiken. Ze deden dit door een dunne-film nanofotonisch apparaat te gebruiken. 

Deze nieuwe aanpak zou kunnen leiden tot verbeterde gevoeligheid en resolutie voor experimenten in metrologie en detectie, evenals tot hoger dimensionale codering van informatie in kwantumnetwerken voor informatieverwerking en communicatie. 

Het onderzoek is gepubliceerd in Physical Review Letters. 

Kwantumverstrengeling

Kwantumverstrengeling vindt plaats wanneer twee kwantumdeeltjes met elkaar verbonden zijn, en dit kan zelfs gebeuren als ze extreem ver van elkaar verwijderd zijn. Een waarneming van het ene deeltje beïnvloedt het andere en laat zien hoe ze met elkaar communiceren. 

Telkens wanneer fotonen in beeld komen en betrokken raken bij de verstrengeling, zijn er veel meer mogelijkheden. Zo kunnen de frequenties van de fotonen worden verstrengeld en kan de bandbreedte worden gecontroleerd. 

Qiang Lin is hoogleraar elektrotechniek en computertechniek. 

"Dit werk vertegenwoordigt een grote stap voorwaarts in het produceren van ultrabreedband kwantumverstrengeling op een nanofotonische chip", zegt Lin. "En het demonstreert de kracht van nanotechnologie voor het ontwikkelen van toekomstige kwantumapparaten voor communicatie, computers en detectie."

Breedbandverstrengeling van licht

Huidige apparaten vertrouwen vaak op het opdelen van een bulkkristal in kleine secties om breedbandige verstrengeling van licht te genereren. Elk van deze secties varieert enigszins in optische eigenschappen en genereert verschillende frequenties van de fotonenparen. Door deze frequenties bij elkaar op te tellen kan een grotere bandbreedte worden bereikt. 

Usman Javid is een promovendus in Lin's Lab en hoofdauteur van het artikel.

"Dit is nogal inefficiënt en gaat ten koste van verminderde helderheid en zuiverheid van de fotonen", zegt Javid. “Er zal altijd een afweging zijn tussen de bandbreedte en de helderheid van de gegenereerde fotonenparen, en je moet een keuze maken tussen die twee. We hebben deze afweging volledig omzeild met onze dispersie-engineeringtechniek om beide te krijgen: een recordhoge bandbreedte bij een recordhoge helderheid.

Het nieuw ontwikkelde, door het team gemaakte nanofotonische apparaat met dunne film van lithiumniobaat is gebaseerd op een enkele golfgeleider met aan beide zijden elektroden. Hoewel een bulkapparaat millimeters breed kan zijn, is het dunne-filmapparaat buitengewoon indrukwekkend met een dikte van 600 nanometer. Dit maakt het een miljoen keer kleiner in zijn dwarsdoorsnede dan een bulkkristal, waardoor de voortplanting van licht extreem gevoelig is voor de afmetingen van de golfgeleider. 

Er kunnen grote veranderingen optreden in de fase en groepssnelheid van het licht dat zich door het apparaat voortplant, met slechts een variatie van enkele nanometers. Hierdoor biedt het apparaat controle over de bandbreedte waarin het proces voor het genereren van paren op momentum is afgestemd.

"We kunnen een parameteroptimalisatieprobleem oplossen om de geometrie te vinden die deze bandbreedte maximaliseert", zegt Javid. 

Het apparaat implementeren

Het team heeft het apparaat klaar om te worden ingezet in experimenten in een laboratoriumomgeving, maar als het commercieel moet worden gebruikt, zullen ze een efficiënter en goedkoper fabricageproces moeten bedenken. 

De fabricage van lithiumniobaat staat nog in de kinderschoenen en het financiële aspect moet worden verbeterd. 

Het team werkte aan het onderzoek samen met co-auteurs Jingwei Ling, Mingxiao Li en Yang He van de afdeling Electrical and Computer Engineering. Bij het project was ook Jeremy Staffa van het Institute of Optics betrokken.