Исследователи используют квантовую запутанность для достижения “ультраширокополосности”

Исследователи из Университета Рочестера используют квантовую запутанность для достижения невероятно большой полосы пропускания. Они сделали это, используя тонкоплёночное.nanофотонное устройство.

Этот новый подход может привести к повышению чувствительности и разрешения для экспериментов в метрологии и датчиках, а также к более высокому кодированию информации в квантовых сетях для обработки и передачи информации.

Исследование было опубликовано в Physical Review Letters.

Квантовая запутанность

Квантовая запутанность происходит, когда два квантовых частицы соединены друг с другом, и это может произойти даже когда они находятся очень далеко друг от друга. Наблюдение за одной частицей влияет на другую, демонстрируя, как они общаются друг с другом.

Когда фотоны входят в картину и становятся вовлечёнными в запутанность, есть много больше возможностей. Например, частоты фотонов могут быть запутаны, и полоса пропускания может быть контролируема.

Qiang Lin является профессором электротехники и компьютерных наук.

“Эта работа представляет собой значительный шаг вперёд в производстве ультраширокополосной квантовой запутанности на нанофотонной пластине”, – говорит Lin. “И она демонстрирует силу нанотехнологий для разработки будущих квантовых устройств для связи, вычислений и датчиков.”

Широкополосная запутанность света

Текущие устройства часто полагаются на разделение объёмного кристалла на небольшие секции для генерации широкополосной запутанности света. Каждая из этих секций немного варьируется в оптических свойствах и генерирует разные частоты фотонных пар. Прибавляя эти частоты вместе, можно достичь более широкой полосы пропускания.

Usman Javid является аспирантом в лаборатории Lin и ведущим автором статьи.

“Это довольно неэффективно и происходит за счёт снижения яркости и чистоты фотонов”, – говорит Javid. “Всегда будет компромисс между полосой пропускания и яркостью генерируемых фотонных пар, и необходимо выбирать между ними. Мы полностью обошли этот компромисс с помощью нашей техники дисперсионной инженерии, чтобы получить оба: рекордно высокую полосу пропускания при рекордно высокой яркости.”

Недавно разработанное тонкоплёночное литий-ниобатное нанофотонное устройство, созданное командой, полагается на один волновод с электродами на обеих сторонах. В то время как объёмное устройство может быть миллиметрами в диаметре, тонкоплёночное устройство впечатляет своей толщиной 600 нанометров. Это делает его в миллион раз меньше по поперечному сечению, чем объёмный кристалл, что делает распространение света чрезвычайно чувствительным к размерам волновода.

Могут быть значительные изменения фазы и групповой скорости света, распространяющегося через устройство, даже при изменении размера волновода на несколько нанометров. Из-за этого устройство позволяет контролировать полосу пропускания, в которой процесс генерации пар является импульсно-сопряжённым.

“Мы можем решить задачу оптимизации параметров, чтобы найти геометрию, которая максимизирует эту полосу пропускания”, – говорит Javid.

Развертывание устройства

Команда имеет устройство, готовое к развертыванию в экспериментах в лабораторных условиях, но если оно будет использоваться коммерчески, им необходимо разработать более эффективный и дешёвый процесс изготовления.

Изготовление литий-ниобата ещё в младенчестве, и финансовый аспект необходимо улучшить.

Команда работала над исследованием вместе с соавторами Jingwei Ling, Mingxiao Li и Yang He из кафедры электротехники и компьютерных наук. В проект также входил Jeremy Staffa из Института оптики.