Дослідники використовують квантову заплутаність для досягнення «надширокосмугового»

Дослідники з Університету Рочестера використали квантову заплутаність для досягнення неймовірно великої пропускної здатності. Вони зробили це за допомогою тонкоплівкового нанофотонного пристрою. 

Цей новий підхід може призвести до підвищення чутливості та роздільної здатності для експериментів у галузі метрології та зондування, а також до кодування інформації у більших розмірах у квантових мережах для обробки інформації та зв’язку. 

Дослідження було опубліковано в Physical Review Letters,. 

Квантове заплутування

Квантова заплутаність має місце, коли дві квантові частинки з’єднані одна з одною, і це може статися навіть тоді, коли вони дуже далеко одна від одної. Спостереження однієї частинки впливає на іншу, демонструючи, як вони спілкуються одна з одною. 

Щоразу, коли в картину з’являються фотони, які беруть участь у заплутуванні, з’являється набагато більше можливостей. Наприклад, частоти фотонів можна заплутати, а смугу пропускання можна контролювати. 

Цян Лінь – професор електротехніки та комп’ютерної інженерії. 

«Ця робота є великим кроком вперед у створенні ультраширокосмугової квантової заплутаності на нанофотонному чіпі», — говорить Лін. «І це демонструє потужність нанотехнологій для розробки майбутніх квантових пристроїв для зв’язку, обчислення та зондування».

Широкосмугове сплутування світла

Сучасні пристрої часто покладаються на поділ об’ємного кристала на невеликі секції для створення широкосмугового сплутування світла. Кожна з цих ділянок дещо відрізняється за оптичними властивостями та генерує різні частоти пар фотонів. Додаючи ці частоти разом, можна досягти більшої смуги пропускання. 

Усман Джавід є аспірантом у лабораторії Ліна та головним автором статті.

«Це досить неефективно і коштує зниження яскравості та чистоти фотонів», — каже Джавід. «Завжди існуватиме компроміс між пропускною здатністю та яскравістю згенерованих пар фотонів, і потрібно робити вибір між ними. Ми повністю обійшли цей компроміс за допомогою нашої техніки розсіювання, щоб отримати обидва: рекордно високу пропускну здатність при рекордно високій яскравості».

Нещодавно розроблений тонкоплівковий нанофотонний пристрій з ніобату літію, створений командою, базується на одному хвилеводі з електродами з обох боків. У той час як об’ємний пристрій може мати діаметр міліметрів, тонкоплівковий пристрій надзвичайно вражає своєю товщиною 600 нанометрів. Це робить його в мільйон разів меншим за площею поперечного перерізу, ніж масивний кристал, що робить поширення світла надзвичайно чутливим до розмірів хвилеводу. 

У фазовій і груповій швидкості світла, що поширюється через пристрій, можуть відбуватися значні зміни лише з коливаннями на кілька нанометрів. Завдяки цьому пристрій дозволяє контролювати смугу пропускання, в якій відбувається узгодження імпульсу процесу генерації пари.

«Ми можемо вирішити проблему оптимізації параметрів, щоб знайти геометрію, яка максимізує цю пропускну здатність», — каже Джавід. 

Розгортання пристрою

Команда має пристрій, готовий до використання в експериментах у лабораторних умовах, але якщо він буде використовуватися в комерційних цілях, їм потрібно буде розробити ефективніший і дешевший процес виготовлення. 

Виробництво ніобату літію все ще знаходиться в зародковому стані, і фінансовий аспект має бути покращений. 

Команда працювала над дослідженням разом із співавторами Jingwei Ling, Mingxiao Li та Yang He з Департаменту електротехніки та комп’ютерної інженерії. У проекті також брав участь Джеремі Стаффа з Інституту оптики.