Дослідники використовують квантове заплутування, щоб досягти “ультрабанди”

Дослідники університету Рочестера використали квантове заплутування, щоб досягти неймовірно великої смуги пропускання. Вони зробили це, використовуючи тонкоплівковий нанофотонний пристрій.

Цій новий підхід може привести до підвищення чутливості та роздільної здатності для експериментів у метрології та датуванні, а також вищої розмірності кодування інформації в квантових мережах для обробки інформації та зв’язку.

Дослідження було опубліковано в Physical Review Letters.

Квантове заплутування

Квантове заплутування відбувається, коли два квантові частинки пов’язані між собою, і це може статися навіть тоді, коли вони знаходяться на величезній відстані один від одного. Спостереження однієї частинки впливає на іншу, демонструючи, як вони спілкуються між собою.

Коли фотони вступають у гру і стають частиною заплутування, виникають багато нових можливостей. Наприклад, частоти фотонів можуть бути заплутані, а смуга пропускання може бути контролювана.

Qiang Lin є професором електротехніки та комп’ютерних наук.

“Ця робота представляє собою великий стрибок вперед у створенні ультрабанди квантового заплутування на нанофотонному чипі”, – говорить Лін. “І це демонструє потужність нанотехнологій для розробки майбутніх квантових пристроїв для зв’язку, обчислень та датування”.

Широкосмугове заплутування світла

Поточні пристрої часто залежать від розділення масивного кристалу на маленькі секції для генерації широкосмугового заплутування світла. Кожна з цих секцій трохи відрізняється за оптичними властивостями та генерує різні частоти пар фотонів. Додаванням цих частот можна досягти більшої смуги пропускання.

Usman Javid є аспірантом у лабораторії Ліна та головним автором статті.

“Це досить неефективно і відбувається за рахунок зменшення яскравості та чистоти фотонів”, – говорить Джавід. “Завжди буде компроміс між смугою пропускання та яскравістю згенерованих пар фотонів, і потрібно зробити вибір між ними. Ми повністю обійшли цей компроміс нашим методом дисперсійного проектування, щоб отримати обидва: рекордну смугу пропускання при рекордній яскравості”.

Новий розроблений тонкоплівковий літій-ніобатний нанофотонний пристрій, створений командою, залежить від одного хвилеводу з електродами по обидва боки. Хоча масивний пристрій може бути міліметрами в діаметрі, тонкоплівковий пристрій вражає своєю товщиною 600 нанометрів. Це робить його мільйон разів меншим за площею перерізу, ніж масивний кристал, роблячи поширення світла дуже чутливим до розмірів хвилеводу.

Можуть бути внесені великі зміни у фазу та групову швидкість світла, що поширюється через пристрій, просто за допомогою зміни розмірів хвилеводу на кілька нанометрів. Через це пристрій дозволяє контролювати смугу пропускання, в якій процес генерації пар є імпульсно-сумісним.

“Ми можемо вирішити проблему оптимізації параметрів, щоб знайти геометрію, яка максимізує цю смугу пропускання”, – говорить Джавід.

Розгортання пристрою

Команда має пристрій готовий до розгортання в експериментах у лабораторних умовах, але якщо його потрібно використовувати комерційно, їм потрібно розробити більш ефективний і дешевий процес виготовлення.

Фабрикація літій-ніобату ще перебуває в дитинстві, і фінансовий аспект потрібно покращити.

Команда працювала над дослідженням разом з співавторами Jingwei Ling, Mingxiao Li та Yang He відділу електротехніки та комп’ютерних наук. Проект також включав Jeremy Staffa з Інституту оптики.