Onderzoekers gebruiken quantum entanglement om “ultrabreedband” te bereiken

Onderzoekers aan de Universiteit van Rochester hebben quantum entanglement gebruikt om een enorm grote bandbreedte te bereiken. Ze deden dit door een dun-film nanofotonisch apparaat te gebruiken.

Deze nieuwe benadering kan leiden tot verbeterde gevoeligheid en resolutie voor experimenten in metrologie en sensing, evenals hogere dimensionale codering van informatie in quantumnetwerken voor informatieverwerking en communicatie.

Het onderzoek werd gepubliceerd in Physical Review Letters.

Quantum Entanglement

Quantum entanglement treedt op wanneer twee quantumdeeltjes met elkaar verbonden zijn, en dit kan gebeuren zelfs als ze extreem ver van elkaar verwijderd zijn. Een observatie van een deeltje beïnvloedt het andere, waarmee wordt aangetoond hoe ze met elkaar communiceren.

Wanneer fotonen in beeld komen en betrokken raken bij de entanglement, zijn er veel meer mogelijkheden. Bijvoorbeeld, de frequenties van de fotonen kunnen worden verstrengeld en de bandbreedte kan worden gecontroleerd.

Qiang Lin is professor in elektrotechniek en informatica.

“Dit werk vertegenwoordigt een grote stap voorwaarts in het produceren van ultrabreedbandige quantumentanglement op een nanofotonische chip,” zegt Lin. “En het demonstreert de kracht van nanotechnologie voor het ontwikkelen van toekomstige quantumapparaten voor communicatie, berekening en sensing.”

Breedband Entanglement van Licht

Huidige apparaten vertrouwen vaak op het opsplitsen van een bulkkristal in kleine secties om breedbandentanglement van licht te genereren. Elk van deze secties varieert licht in optische eigenschappen en genereert verschillende frequenties van de fotonparen. Door deze frequenties samen te voegen, kan een grotere bandbreedte worden bereikt.

Usman Javid is een PhD-student in Lin’s Lab en de eerste auteur van het artikel.

“Dit is vrij inefficiënt en gaat ten koste van een vermindering van de helderheid en zuiverheid van de fotonen,” zegt Javid. “Er zal altijd een compromis zijn tussen de bandbreedte en de helderheid van de gegenereerde fotonparen, en men moet een keuze maken tussen de twee. Wij hebben dit compromis volledig omzeild met onze dispersie-engineeringtechniek om beide te krijgen: een recordhoge bandbreedte bij een recordhoge helderheid.”

Het nieuw ontwikkelde, dun-film lithiumniobaat nanofotonische apparaat dat door het team is gemaakt, vertrouwt op een enkele golfgeleider met elektroden aan beide zijden. Terwijl een bulkapparaat millimeters breed kan zijn, is het dun-filmapparaat extreem indrukwekkend in zijn 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 dimensies van de golfgeleider.

Er kunnen grote veranderingen optreden in de fase en groepssnelheid van het licht dat door het apparaat voortplant, zelfs met een variatie van slechts enkele nanometers. Hierdoor kan het apparaat de bandbreedte controleren waarbinnen het paar-generatieproces momentum-gematcht is.

“We kunnen een parameter-optimalisatieprobleem oplossen om de geometrie te vinden die de bandbreedte maximaliseert,” zegt Javid.

Implementatie van het Apparaat

Het team heeft het apparaat klaar om te worden geïmplementeerd in experimenten in een laboratoriumomgeving, maar als het commercieel moet worden gebruikt, moeten ze een meer efficiënte en goedkopere fabricageproces ontwikkelen.

Lithiumniobaatfabricage is nog in de kinderschoenen, en het financiële aspect moet worden verbeterd.

Het team werkte aan het onderzoek samen met medeauteurs Jingwei Ling, Mingxiao Li en Yang He van de afdeling Elektrotechniek en Informatica. Het project omvatte ook Jeremy Staffa van het Instituut voor Optica.