Naukowcy wykorzystują splątanie kwantowe do osiągnięcia “ultrawielospektralności”

Naukowcy z Uniwersytetu Rochester wykorzystali splątanie kwantowe do osiągnięcia niezwykle dużej szerokości pasma. Zrobili to, używając cienkowarstwowego urządzenia nanofotonicznego.

Ten nowy podejście może prowadzić do zwiększonej czułości i rozdzielczości w eksperymentach metrologicznych i sensorycznych, a także do wyższej wymiarowej kodowania informacji w sieciach kwantowych do przetwarzania i komunikacji.

Badania zostały opublikowane w Physical Review Letters.

Splątanie kwantowe

Splątanie kwantowe występuje, gdy dwa cząstki kwantowe są połączone ze sobą, co może nastąpić nawet wtedy, gdy są one bardzo oddalone od siebie. Obserwacja jednej cząstki wpływa na drugą, pokazując, jak komunikują się one ze sobą.

Gdy fotoniki wchodzą w grę i uczestniczą w splątaniu, istnieją o wiele więcej możliwości. Na przykład, częstotliwości fotoników mogą być splątane, a szerokość pasma może być kontrolowana.

Qiang Lin jest profesorem inżynierii elektrycznej i komputerowej.

“To dzieło reprezentuje znaczny postęp w produkcji ultrawielospektralnego splątania kwantowego na chipie nanofotonicznym”, mówi Lin. “I demonstruje potęgę nanotechnologii w rozwoju przyszłych urządzeń kwantowych do komunikacji, obliczeń i sensoryki.”

Wielospektralne splątanie światła

Obecne urządzenia często polegają na podzieleniu kryształu masowego na małe sekcje w celu wygenerowania wielospektralnego splątania światła. Każda z tych sekcji nieznacznie różni się właściwościami optycznymi i generuje różne częstotliwości par fotonowych. Łącząc te częstotliwości, można osiągnąć szersze pasmo.

Usman Javid jest doktorantem w laboratorium Lina i głównym autorem artykułu.

“To jest dość niewydajne i wiąże się z kosztem zmniejszonej jasności i czystości fotonów”, mówi Javid. “Zawsze będzie istniał kompromis między pasmem a jasnością generowanych par fotonowych, a trzeba wybrać między nimi. My całkowicie ominęliśmy ten kompromis naszą techniką inżynierii dyspersji, aby uzyskać oba: rekordowo wysokie pasmo przy rekordowo wysokiej jasności.”

Nowo opracowane, cienkowarstwowe urządzenie nanofotoniczne z niobitu litu, stworzone przez zespół, opiera się na jednej ścieżce falowej z elektrodami po obu stronach. Podczas gdy urządzenie masowe może mieć milimetry szerokości, urządzenie cienkowarstwowe jest niezwykle imponujące, mając grubość 600 nanometrów. To sprawia, że jest ono milion razy mniejsze w powierzchni poprzecznej niż kryształ masowy, co sprawia, że propagacja światła jest niezwykle wrażliwa na wymiary ścieżki falowej.

Mogą wystąpić znaczne zmiany w fazie i prędkości grupowej światła propagującego przez urządzenie, już przy zmianie kilku nanometrów. Dzięki temu, urządzenie pozwala na kontrolę nad pasmem, w którym proces generowania par jest dopasowany do pędu.

“Możemy rozwiązać problem optymalizacji parametrów, aby znaleźć geometrię, która maksymalizuje to pasmo”, mówi Javid.

Wdrożenie urządzenia

Zespół ma urządzenie gotowe do wdrożenia w eksperymentach w laboratorium, ale jeśli ma być używane komercyjnie, muszą znaleźć bardziej wydajny i taniejszy proces produkcji.

Produkcja niobitu litu jest jeszcze w powijakach, a aspekt finansowy musi zostać poprawiony.

Zespół pracował nad badaniami wraz z współautorami Jingwei Ling, Mingxiao Li i Yang He z Wydziału Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej. Projekt obejmował również Jeremy Staffa z Instytutu Optyki.