Forskare använder Quantum Entanglement för att uppnå "Ultrabredband"

Forskare vid University of Rochester har utnyttjat quantum intrassling för att uppnå otroligt stor bandbredd. De gjorde detta genom att använda en tunnfilms nanofotonisk enhet. 

Detta nya tillvägagångssätt kan leda till ökad känslighet och upplösning för experiment inom metrologi och avkänning, såväl som högre dimensionell kodning av information i kvantnät för informationsbehandling och kommunikation. 

Forskningen publicerades i Fysiska granskningsbrev. 

Kvantsammanflätning

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

Närhelst fotoner kommer in i bilden och blir involverade i intrasslingen finns det många fler möjligheter. Till exempel kan fotonernas frekvenser vara intrasslade och bandbredden kan styras. 

Qiang Lin är professor i el- och datateknik. 

"Detta arbete representerar ett stort steg framåt när det gäller att producera ultrabredbandskvantumintrassling på ett nanofotoniskt chip", säger Lin. "Och det visar kraften hos nanoteknik för att utveckla framtida kvantenheter för kommunikation, datorer och avkänning."

Bredband Entanglement of Light

Nuvarande enheter är ofta beroende av att dela upp en bulkkristall i små sektioner för att generera bredbandsintrassling av ljus. Var och en av dessa sektioner varierar något i optiska egenskaper och genererar olika frekvenser för fotonparen. Genom att lägga ihop dessa frekvenser kan en större bandbredd uppnås. 

Usman Javid är doktorand i Lin's Lab och huvudförfattare till uppsatsen.

"Detta är ganska ineffektivt och kommer till en kostnad av minskad ljusstyrka och fotonernas renhet," säger Javid. "Det kommer alltid att finnas en avvägning mellan bandbredden och ljusstyrkan hos de genererade fotonparen, och man måste göra ett val mellan de två. Vi har helt kringgått denna kompromiss med vår dispersionsteknik för att få båda: en rekordhög bandbredd och en rekordhög ljusstyrka."

Den nyutvecklade nanofotoniska enheten med tunnfilmslitiumniobat som skapats av teamet bygger på en enda vågledare med elektroder på båda sidor. Medan en bulkenhet kan vara millimeter tvärs över är tunnfilmsenheten extremt imponerande i sin tjocklek på 600 nanometer. Detta gör den en miljon gånger mindre i sin tvärsnittsarea än en bulkkristall, vilket gör ljusets utbredning extremt känslig för vågledardimensionerna. 

Det kan ske stora förändringar i fasen och grupphastigheten för ljuset som fortplantar sig genom enheten bara med en variation på några nanometer. På grund av detta tillåter enheten kontroll över bandbredden där pargenereringsprocessen är momentummatchad.

"Vi kan lösa ett parameteroptimeringsproblem för att hitta geometrin som maximerar denna bandbredd", säger Javid. 

Installera enheten

Teamet har enheten redo att användas i experiment i en labbmiljö, men om den ska användas kommersiellt måste de komma med en effektivare och billigare tillverkningsprocess. 

Tillverkning av litiumniobat 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 vid institutionen för elektro- och datorteknik. I projektet ingick även Jeremy Staffa från Institute of Optics.