Ny hulkrystal rydder en vej for kvantelys

Optiske motorveje til lys er kernen i moderne kommunikation. Men når det kommer til at guide individuelle lysstumper kaldet fotoner, pålidelig transit er langt mindre almindelig. Nu, et samarbejde mellem forskere fra Joint Quantum Institute (JQI), ledet af JQI Fellows Mohammad Hafezi og Edo Waks, har skabt en fotonisk chip, der både genererer enkeltfotoner, og styrer dem rundt. Enheden, beskrevet i 9. februar -udgaven af Videnskab , har en måde for kvantelyset at bevæge sig problemfrit, upåvirket af visse forhindringer.

"Dette design indeholder velkendte ideer, der beskytter strømmen af ​​strøm i visse elektriske enheder, "siger Hafezi." Her, vi skaber et analogt miljø for fotoner, en, der beskytter integriteten af ​​kvantelys, selv i nærværelse af visse defekter."

Chippen starter med en fotonisk krystal, som er en etableret, alsidig teknologi, der bruges til at skabe vejbaner til lys. De fremstilles ved at stikke huller gennem et stykke halvleder. For fotoner, det gentagne hulmønster ligner meget en ægte krystal fremstillet af et gitter af atomer. Forskere bruger forskellige hulmønstre til at ændre den måde, lyset bøjer og hopper gennem krystallen på. For eksempel, de kan ændre hulstørrelser og adskillelser for at lave begrænsede kørebaner, der tillader visse lyse farver at passere, mens de forbyder andre.

Sommetider, selv i disse omhyggeligt fremstillede enheder, der er fejl, der ændrer lysets påtænkte rute, får det til at omveje i en uventet retning. Men i stedet for at befri deres chips for enhver fejl, JQI -teamet afhjælper dette problem ved at gentænke krystalets hulformer og krystalmønster. I den nye chip, de ætser tusinder af trekantede huller i en matrix, der ligner en bies honningkage. Langs midten af ​​enheden forskyder de hullernes afstand, som åbner en anden slags rejsebane for lyset. Tidligere har disse forskere forudsagde, at fotoner, der bevæger sig langs den linje af forskudte huller, skulle være uigennemtrængelige for visse defekter på grund af den overordnede krystalstruktur, eller topologi. Uanset om banen er en skiftevej eller et lige skud, lysets vej fra oprindelse til destination skal sikres, uanset vejens detaljer.

Lyset kommer fra små pletter af halvledere - kaldet kvanteemittere - indlejret i den fotoniske krystal. Forskere kan bruge lasere til at presse dette materiale til at frigive enkeltfotoner. Hver emitter kan få energi ved at absorbere laserfotoner og miste energi ved senere at spytte disse fotoner ud, en ad gangen. Fotoner, der kommer fra de to mest energiske tilstande i en enkelt emitter, er forskellige farver og roterer i modsatte retninger. Til dette eksperiment, holdet bruger fotoner fra en emitter fundet nær chippens centrum.

Teamet testede chipens muligheder ved først at ændre en kvanteemitter fra dens laveste energitilstand til en af ​​dens to højere energitilstande. Efter at have slappet af igen, udsenderen springer en foton ud i den nærliggende rejsebane. De fortsatte denne proces mange gange, ved hjælp af fotoner fra de to tilstande med højere energi. De så, at fotoner udsendt fra de to stater foretrak at rejse i modsatte retninger, hvilket var bevis på den underliggende krystaltopologi.

For at bekræfte, at designet faktisk kunne tilbyde beskyttede trafikbaner for enkelte fotoner, holdet skabte en 60 graders drejning i hulmønsteret. I typiske fotoniske krystaller, uden indbyggede beskyttelsesegenskaber, en sådan knæk ville sandsynligvis få noget af lyset til at reflektere baglæns eller spredes andre steder. I denne nye chip, topologi beskyttede fotoner og tillod dem at fortsætte deres vej uhindret.

"På internettet, information bevæger sig rundt i pakker med lys, der indeholder mange fotoner, og at miste nogle få gør dig ikke for ondt", siger medforfatter Sabyasachi Barik, en kandidatstuderende på JQI. "I kvanteinformationsbehandling, vi skal beskytte hver enkelt foton og sikre, at den ikke går tabt undervejs. Vores arbejde kan afhjælpe nogle former for tab, også når enheden ikke er helt perfekt. "

Designet er fleksibelt, og kunne give forskere mulighed for systematisk at samle veje til enkeltfotoner, siger Waks. "En sådan modulær tilgang kan føre til nye typer optiske enheder og muliggøre skræddersyede interaktioner mellem kvantelysudsendere eller andre former for stof."