Các nhà nghiên cứu sử dụng sự giao thoa lượng tử để đạt được “Ultrabroadband”

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Rochester đã khai thác sự giao thoa lượng tử để đạt được băng thông cực lớn. Họ đã làm điều này bằng cách sử dụng một thiết bị nanophotonic màng mỏng.

Cách tiếp cận mới này có thể dẫn đến độ nhạy và độ phân giải tăng cao cho các thí nghiệm trong lĩnh vực đo lường và cảm biến, cũng như mã hóa thông tin chiều cao hơn trong các mạng lượng tử để xử lý và truyền thông tin.

Nghiên cứu này đã được công bố trên Physical Review Letters.

Sự giao thoa lượng tử

Sự giao thoa lượng tử xảy ra khi hai hạt lượng tử được kết nối với nhau, và điều này có thể xảy ra ngay cả khi chúng ở rất xa nhau. Việc quan sát một hạt ảnh hưởng đến hạt kia, thể hiện cách chúng giao tiếp với nhau.

Khi photon tham gia vào sự giao thoa, có nhiều khả năng hơn. Ví dụ, tần số của photon có thể bị giao thoa và băng thông có thể được kiểm soát.

Qiang Lin là giáo sư kỹ thuật điện và máy tính.

“Công việc này đại diện cho một bước nhảy vĩ đại trong việc tạo ra sự giao thoa lượng tử siêu băng thông trên một chip nanophotonic,” Lin nói. “Và nó chứng tỏ sức mạnh của công nghệ nano trong việc phát triển các thiết bị lượng tử tương lai cho truyền thông, tính toán và cảm biến.”

Sự giao thoa ánh sáng băng thông rộng

Các thiết bị hiện tại thường dựa trên việc chia một tinh thể khối thành các phần nhỏ để tạo ra sự giao thoa ánh sáng băng thông rộng. Mỗi phần này slightly khác nhau về tính chất quang và tạo ra các tần số khác nhau của các cặp photon. Bằng cách thêm các tần số này lại với nhau, một băng thông rộng hơn có thể được đạt được.

Usman Javid là một sinh viên tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Lin và là tác giả chính của bài báo.

“Điều này khá không hiệu quả và đi kèm với chi phí giảm độ sáng và độ tinh khiết của photon,” Javid nói. “Luôn có sự đánh đổi giữa băng thông và độ sáng của các cặp photon được tạo ra, và người ta phải lựa chọn giữa hai điều. Chúng tôi đã hoàn toàn tránh được sự đánh đổi này với kỹ thuật thiết kế phân tán của chúng tôi để có được cả hai: băng thông kỷ lục cao tại độ sáng kỷ lục.”

Thiết bị nanophotonic màng mỏng lithium niobate mới được phát triển bởi nhóm nghiên cứu dựa trên một waveguide đơn với điện cực trên cả hai bên. Trong khi một thiết bị khối có thể có kích thước milimét, thiết bị màng mỏng này cực kỳ ấn tượng với độ dày 600 nanomet. Điều này làm cho nó nhỏ hơn một triệu lần trong diện tích mặt cắt so với một tinh thể khối, làm cho sự truyền播 của ánh sáng cực kỳ nhạy cảm với kích thước của waveguide.

Có thể có những thay đổi lớn đối với pha và vận tốc nhóm của ánh sáng truyền qua thiết bị chỉ với sự thay đổi của vài nanomet. Vì vậy, thiết bị cho phép kiểm soát băng thông trong đó quá trình tạo cặp được khớp động lượng.

“Chúng tôi có thể giải quyết một vấn đề tối ưu hóa tham số để tìm hình học tối đa hóa băng thông này,” Javid nói.

Triển khai thiết bị

Nhóm nghiên cứu đã sẵn sàng triển khai thiết bị trong các thí nghiệm trong môi trường phòng thí nghiệm, nhưng nếu nó được sử dụng thương mại, họ sẽ cần phải phát triển một quá trình sản xuất hiệu quả và rẻ hơn.

Quá trình sản xuất lithium niobate vẫn còn trong giai đoạn sơ sinh, và khía cạnh tài chính phải được cải thiện.

Nhóm nghiên cứu đã làm việc trên nghiên cứu cùng với các đồng tác giả Jingwei Ling, Mingxiao Li và Yang He của Bộ phận Kỹ thuật Điện và Máy tính. Dự án cũng bao gồm Jeremy Staffa của Viện Quang học.