Исследователи установили рекорд сверх-широкополосности по запутанным фотонам
Квантовая запутанность — или то, что Альберт Эйнштейн однажды назвал «жутким действием на расстоянии» — происходит, когда две квантовые частицы соединены друг с другом, даже если они находятся на расстоянии миллионов километров друг от друга. Любое наблюдение одной частицы влияет на другую, как если бы они общались друг с другом. Когда это запутывание включает фотоны, появляются интересные возможности, в том числе запутывание частот фотонов, шириной полосы пропускания которых можно управлять.
Исследователи из Университета Рочестера воспользовались этим явлением для создания невероятно большой полосы пропускания с помощью тонкопленочного нанофотонного устройства, которое они описывают в Physical Review Letters.
Научный прорыв может привести к:
- Повышенная чувствительность и разрешение для экспериментов в области метрологии и зондирования, включая спектроскопию, нелинейную микроскопию и квантовую оптическую когерентную томографию.
- Высокоуровневое кодирование информации в квантовых сетях для обработки информации и коммуникации.
«Эта работа представляет собой большой шаг вперед в создании сверх-широкополосной квантовой запутанности на нанофотонном чипе», — говорит профессор Цян Линь. «И это демонстрирует силу нанотехнологий для разработки будущих квантовых устройств для связи, вычислений и датчиков»,
На сегодняшний день большинство устройств, используемых для создания широкополосного запутывания света, прибегают к разделению объемного кристалла на небольшие секции, каждая со слегка изменяющимися оптическими свойствами и каждая из которых генерирует разные частоты пар фотонов. Затем частоты складываются, чтобы получить большую полосу пропускания.
«Это довольно неэффективно и достигается за счет снижения яркости и чистоты фотонов», — говорит ведущий автор работы Усман Джавид. «В этих устройствах «всегда будет существовать компромисс между полосой пропускания и яркостью генерируемых пар фотонов, и нужно делать выбор между ними двумя. Мы полностью обошли этот компромисс с помощью нашей техники дисперсионной инженерии, чтобы получить и то, и другое: рекордно высокая пропускная способность при рекордно высокой яркости».
Тонкопленочное нанофотонное устройство из ниобата лития, созданное лабораторией Цян Линя, использует один волновод с электродами с обеих сторон. В то время как объемное устройство может иметь миллиметры в поперечнике, тонкопленочное устройство имеет толщину 600 нанометров, что более чем в миллион раз меньше по площади поперечного сечения, чем объемный кристалл. Это делает распространение света чрезвычайно чувствительным к размерам волновода.
Действительно, даже изменение на несколько нанометров может вызвать значительные изменения фазы и групповой скорости света, распространяющегося через него. В результате тонкопленочное устройство исследователей позволяет точно контролировать полосу пропускания, в которой процесс генерации пар согласован по импульсу. «Затем мы можем решить задачу оптимизации параметров, чтобы найти геометрию, которая максимизирует эту полосу пропускания».
По словам ученых, устройство готово к экспериментам, но только в лабораторных условиях. Для коммерческого использования необходим более эффективный и экономичный процесс изготовления. И хотя ниобат лития является важным материалом для световых технологий, производство ниобата лития «все еще находится в зачаточном состоянии, и потребуется некоторое время», — говорят исследователи.
Исследование было опубликовано в Physical Review Letters.