Cercetătorii utilizează încâlcirea cuantică pentru a atinge “ultrabandă largă”

Cercetătorii de la Universitatea Rochester au utilizat încâlcirea cuantică pentru a obține o lățime de bandă incredibil de mare. Ei au făcut acest lucru folosind un dispozitiv nanofotonic sub formă de film subțire. 

Această abordare nouă poate conduce la o sensibilitate și o rezoluție îmbunătățite pentru experimentele de metrologie și detectare, precum și la o codare dimensională mai mare a informației în rețelele cuantice pentru prelucrarea și comunicarea informației. 

Cercetarea a fost publicată în Physical Review Letters. 

Încâlcirea cuantică

Încâlcirea cuantică are loc atunci când două particule cuantice sunt conectate una la cealaltă, și acest lucru poate apărea chiar și atunci când ele sunt extrem de departe una de cealaltă. O observație a unei particule afectează cealaltă, demonstrând cum ele comunică una cu cealaltă. 

Atunci când fotonii intră în imagine și devin implicați în încâlcire, există multe posibilități. De exemplu, frecvențele fotonilor pot fi încâlcite și lățimea de bandă poate fi controlată. 

Qiang Lin este profesor de inginerie electrică și informatică. 

“Această lucrare reprezintă un salt major înainte în producerea de încâlcire cuantică ultrabandă pe un cip nanofotonic”, spune Lin. “Și demonstrează puterea nanotehnologiei pentru dezvoltarea dispozitivelor cuantice viitoare pentru comunicare, calcul și detectare.” 

Încâlcirea luminii în bandă largă

Dispozitivele actuale adesea se bazează pe împărțirea unui cristal bulk în secțiuni mici pentru a genera încâlcirea luminii în bandă largă. Fiecare dintre aceste secțiuni variază ușor în proprietăți optice și generează frecvențe diferite ale perechilor de fotoni. Prin adăugarea acestor frecvențe, poate fi atinsă o lățime de bandă mai mare. 

Usman Javid este student doctorand în laboratorul lui Lin și autor principal al lucrării.

“Acest lucru este destul de ineficient și vine la un cost de reducere a strălucirii și purității fotonilor”, spune Javid. “Va exista întotdeauna un compromis între lățimea de bandă și strălucirea perechilor de fotoni generate, și trebuie să alegi între cele două. Am ocolit complet acest compromis cu tehnica noastră de inginerie a dispersiei pentru a obține ambele: o lățime de bandă record la o strălucire record.” 

Dispozitivul nanofotonic sub formă de film subțire de niobat de litiu, creat de echipă, se bazează pe o singură undă ghidată cu electrozi de ambele părți. În timp ce un dispozitiv bulk poate avea dimensiuni de milimetri, dispozitivul subțire este extrem de impresionant prin grosimea sa de 600 de nanometri. Acest lucru îl face de un milion de ori mai mic în aria sa transversală decât un cristal bulk, făcând propagarea luminii extrem de sensibilă la dimensiunile undei ghidate. 

Pot apărea modificări majore ale fazei și vitezei de grup a luminii care se propagă prin dispozitiv, chiar și cu o variație de câteva nanometri. Din cauza acestui fapt, dispozitivul permite controlul asupra lățimii de bandă în care procesul de generare a perechilor este echilibrat din punct de vedere al impulsului. 

“Putem rezolva o problemă de optimizare a parametrilor pentru a găsi geometria care maximizează această lățime de bandă”, spune Javid. 

Implementarea dispozitivului

Echipa are dispozitivul gata pentru a fi implementat în experimente într-un mediu de laborator, dar dacă urmează să fie utilizat comercial, vor trebui să găsească un proces de fabricație mai eficient și mai ieftin. 

Fabricarea de niobat de litiu este încă în stadiu incipient, și aspectul financiar trebuie îmbunătățit. 

Echipa a lucrat la cercetare alături de coautorii Jingwei Ling, Mingxiao Li și Yang He de la Departamentul de Inginerie Electrică și Informatică. Proiectul a inclus, de asemenea, pe Jeremy Staffa de la Institutul de Optică.