Forskare använder kvantkoppling för att uppnå “ultrabredband”

Forskare vid University of Rochester har utnyttjat kvantkoppling för att uppnå otroligt stort bandbredd. De gjorde detta genom att använda en tunnfilmsnanofotonisk enhet.

Denna nya metod kan leda till förbättrad känslighet och upplösning för experiment inom metrologi och avkänning, samt högre dimensionskodning av information i kvantsystem för informationsbehandling och kommunikation.

Forskningen publicerades i Physical Review Letters.

Kvantkoppling

Kvantkoppling sker när två kvantpartiklar är kopplade till varandra, och detta kan hända även när de är extremt långt ifrån varandra. En observation av en partikel påverkar den andra, och visar hur de kommunicerar med varandra.

När fotoner kommer in i bilden och blir inblandade i kvantkopplingen, finns det många fler möjligheter. Till exempel kan fotonernas frekvenser vara kopplade och bandbredden kan kontrolleras.

Qiang Lin är professor i elektroteknik och datorteknik.

“Detta arbete representerar ett stort steg framåt i produktionen av ultrabredbandig kvantkoppling på en nanofotonisk krets,” säger Lin. “Och det visar kraften i nanoteknik för utveckling av framtida kvantsystem för kommunikation, beräkning och avkänning.”

Bredbandig kvantkoppling av ljus

Nuvarande enheter förlitar sig ofta på att dela upp en bulkristall i små sektioner för att generera bredbandig kvantkoppling av ljus. Var och en av dessa sektioner varierar något i optiska egenskaper och genererar olika frekvenser av fotonpar. Genom att lägga till dessa frekvenser kan en större bandbredd uppnås.

Usman Javid är en doktorand i Lins laboratorium och huvudförfattare till artikeln.

“Detta är ganska ineffektivt och kommer med en kostnad av minskad ljusstyrka och renhet hos fotonerna,” säger Javid. “Det kommer alltid att finnas en avvägning mellan bandbredden och ljusstyrkan hos de genererade fotonpar, och man måste välja mellan de två. Vi har helt undvikit denna avvägning med vår dispersionsingenjörsteknik för att få båda: en rekordhög bandbredd vid en rekordhög ljusstyrka.”

Den nyligen utvecklade, tunnfilmslithiumniobatnanofotoniska enheten som skapats av teamet förlitar sig på en enda vågledare med elektroder på båda sidor. Medan en bulk-enhet kan vara millimeter bred, är den tunnfilmsenheten extremt imponerande med sin 600 nanometer tjocklek. Detta gör den en miljon gånger mindre i sin tvärsnittsarea än en bulkristall, vilket gör att spridningen av ljus är extremt känslig för vågledarens dimensioner.

Det kan finnas stora förändringar som påverkar fasen och grupphastigheten hos ljuset som sprids genom enheten, bara med en variation på några nanometer. På grund av detta tillåter enheten kontroll över bandbredden under vilken par-genereringsprocessen är momentum-matcherad.

“Vi kan lösa ett parametersoptimeringsproblem för att hitta geometrin som maximalt bandbredden,” säger Javid.

Utveckling av enheten

Teamet har enheten redo att användas i experiment i ett laboratoriemiljö, men om den ska användas kommersiellt, måste de komma på en mer effektiv och billigare tillverkningsprocess.

Lithiumniobat-tillverkning är fortfarande i sin linda, och den ekonomiska aspekten måste förbättras.

Teamet arbetade med forskningen tillsammans med medförfattarna Jingwei Ling, Mingxiao Li och Yang He från avdelningen för elektroteknik och datorteknik. Projektet inkluderade också Jeremy Staffa från Institute of Optics.