Forskere demonstrerer en ny type laser

Lasere er overalt i dag:Læger bruger dem til at korrigere synet, kasserere til at scanne dine dagligvarer, og kvanteforsker til at styre qubits i den fremtidige kvantecomputer. For de fleste applikationer, den nuværende omfangsrige, energieffektive lasere er fine, men kvanteforsker arbejder ved ekstremt lave temperaturer og på meget små skalaer. I over 40 år har de har ledt efter effektive og præcise mikrobølgelasere, der ikke forstyrrer det meget kolde miljø, hvor kvanteteknologi fungerer.

Et team af forskere ledet af Leo Kouwenhoven ved TU Delft har demonstreret en mikrobølgelaser på chip baseret på en grundlæggende egenskab ved superledning, ac Josephson -effekten. De indlejrede en lille del af en afbrudt superleder, et Josephson -kryds, i et omhyggeligt konstrueret on-chip hulrum. En sådan anordning åbner døren til mange applikationer, hvor mikrobølgestråling med minimal spredning er nøglen, for eksempel til styring af qubits i en skalerbar kvantecomputer.

Forskerne har offentliggjort deres arbejde i Videnskab den 3. marts.

Lasere har den unikke evne til at udsende perfekt synkroniseret, sammenhængende lys. Det betyder, at linjebredden (svarende til farven) er meget smal. Normalt fremstilles lasere fra et stort antal emittere (atomer, molekyler, eller halvledende bærere) inde i et hulrum. Disse konventionelle lasere er ofte ineffektive, og spreder meget varme under lasning. Dette gør dem vanskelige at operere i kryogene miljøer, såsom hvad der kræves for at betjene en kvantecomputer.

Superledende Josephson -krydset

I 1911, den hollandske fysiker Heike Kamerlingh Onnes opdagede, at nogle materialer overgår til en superledende tilstand ved meget lave temperaturer, tillader elektrisk strøm at strømme uden tab af energi. En af de vigtigste anvendelser af superledning er Josephson -effekten:hvis en meget kort barriere afbryder et stykke superleder, de elektriske bærere tunnel gennem dette ikke-superledende materiale efter kvantemekanikkens love. I øvrigt, de gør det med en meget karakteristisk frekvens, som kan varieres med en eksternt påført jævnstrøm. Josephson -krydset er derfor en perfekt spænding til lys (frekvens) -omformer.

Josephson krydset laser

Forskerne på QuTech koblede sådan et enkelt Josephson-krydset til en superledende mikrohulrum af høj kvalitet, ikke større end en myre. Josephson -krydset fungerer som et enkelt atom, mens hulrummet kan ses som to spejle til mikrobølge lys. Når der påføres en lille jævnstrømsspænding på dette Josephson -kryds, den udsender mikrobølgefotoner, der er i resonans med hulrumsfrekvensen. Fotonerne hopper frem og tilbage mellem to superledende spejle, og tvinge Josephson -krydset til at udsende flere fotoner synkroniseret med fotoner i hulrummet. Ved at afkøle enheden til ultra-lave temperaturer ( <1 Kelvin) og tilførsel af en lille jævnstrømsspænding til Josephson -krydset, forskerne observerer en sammenhængende stråle af mikrobølgefotoner, der udsendes ved hulrummets udgang. Fordi on-chip-laseren udelukkende er fremstillet af superledere, det er meget energieffektivt og mere stabilt end tidligere påvist halvlederbaserede lasere. Den bruger mindre end en picoWatt strøm til at køre, mere end 100 milliarder gange mindre end en lys globus.

Lavt tabs kvantekontrol

Effektive kilder til sammenhængende mikrobølge lys i høj kvalitet er afgørende i alle nuværende designs af den fremtidige kvantecomputer. Mikrobølgeudbrud bruges til at læse og overføre oplysninger, rette fejl og få adgang til og kontrollere de enkelte kvantekomponenter. Mens de nuværende mikrobølge kilder er dyre og ineffektive, Josephson-forbindelseslaseren, der er skabt på QuTech, er energieffektiv og tilbyder en on-chip-løsning, der er let at kontrollere og ændre. Gruppen udvider deres design til at bruge afstembare Josephson -krydser fremstillet af nanotråde for at muliggøre mikrobølgeudbrud til hurtig kontrol af flere kvantekomponenter. I fremtiden, en sådan indretning kan muligvis generere såkaldt "amplitudeklemt" lys med mindre intensitetsudsving sammenlignet med konventionelle lasere, dette er vigtigt i de fleste kvantekommunikationsprotokoller. Dette arbejde markerer et vigtigt skridt i retning af styring af store kvantesystemer til kvanteberegning.