Forskere bruker kvanteforing til å oppnå “ultrabredbånd”

Forskere ved University of Rochester har utnyttet kvanteforing til å oppnå usedvanlig stor båndbredde. De gjorde dette ved å bruke en tynnfilms nanofotonisk enhet.

Dette nye tilnærmingen kan føre til forbedret sensitivitet og oppløsning for eksperimenter i metrologi og sensing, samt høyere dimensjoner encoding av informasjon i kvantenettverk for informasjonsbehandling og kommunikasjon.

Forskningen ble publisert i Physical Review Letters.

Kvanteforing

Kvanteforing skjer når to kvantepartikler er koblet sammen, og dette kan skje selv når de er ekstremt langt fra hverandre. En observasjon av en partikkel påvirker den andre, og demonstrerer hvordan de kommuniserer med hverandre.

Når fotoner kommer inn i bildet og blir involvert i foringen, er det mange flere muligheter. For eksempel kan fotonernes frekvenser bli forket og båndbredden kan kontrolleres.

Qiang Lin er professor i elektro- og datateknikk.

“Dette arbeidet representerer et stort sprang fremover i å produsere ultrabredbånd kvanteforing på en nanofotonisk chip,” sier Lin. “Og det demonstrerer kraften til nanoteknologi for å utvikle fremtidige kvantedevicer for kommunikasjon, beregning og sensing.”

Bredbåndsforing av lys

Gjeldende enheter avhenger ofte av å dele en bulkkrystall inn i små seksjoner for å generere bredbåndsforing av lys. Hver av disse seksjonene varierer litt i optiske egenskaper og genererer forskjellige frekvenser av fotonpar. Ved å legge disse frekvensene sammen, kan en større båndbredde oppnås.

Usman Javid er en PhD-student i Lin’s lab og hovedforfatter av artikkelen.

“Dette er ganske ineffektivt og kommer på bekostning av redusert lysstyrke og renhet av fotonene,” sier Javid. “Det vil alltid være en avveining mellom båndbredden og lysstyrken til de genererte fotonpar, og en må velge mellom de to. Vi har fullstendig unngått denne avveiningen med vår dispersjonsingeniørteknikk for å få både: en rekordhøy båndbredde ved en rekordhøy lysstyrke.”

Den nyutviklede, tynnfilm-lithiumniobat-nanofotoniske enheten som er skapt av teamet, avhenger av en enkelt bølgeleder med elektroder på begge sider. Mens en bulk-enhet kan være millimeter på tvers, er den tynnfilm-enheten ekstremt imponerende i sin 600 nanometer tykkelse. Dette gjør den en million ganger mindre i sin tverrsnittsareal enn en bulkkrystall, og gjør at forplantningen av lys er ekstremt følsom for bølgelederdimensjonene.

Det kan være store endringer i fasen og gruppehastigheten til lyset som forplanter gjennom enheten, bare med en variasjon på noen få nanometer. På grunn av dette, tillater enheten kontroll over båndbredden som par-genereringsprosessen er momentum-matching.

“Vi kan løse et parameteroptimeringsproblem for å finne geometrien som maksimerer denne båndbredden,” sier Javid.

Utrolning av enheten

Teamet har enheten klar til å bli utrolt i eksperimenter i et laboratorium, men hvis den skal brukes kommersielt, må de finne en mer effektiv og billigere produksjonsprosess.

Lithiumniobat-fabrikasjon er fortsatt i sin barndom, og den finansielle aspekt må forbedres.

Teamet arbeidet med forskningen sammen med medforfattere Jingwei Ling, Mingxiao Li og Yang He fra avdelingen for elektro- og datateknikk. Prosjektet inkluderte også Jeremy Staffa fra Institute of Optics.