Sammenfiltring af fotoner af forskellige farver

Nogle af de mest avancerede kommunikationssystemer, der nu er under udvikling, er afhængige af kvantevidenskabens egenskaber til at lagre og transportere information. Imidlertid, forskere, der designer kvantekommunikationssystemer, der er afhængige af lys, snarere end elektrisk strøm, at transmittere information står over for et dilemma:De optiske komponenter, der lagrer og behandler kvanteinformation, kræver typisk fotoner med synligt lys (lyspartikler) for at fungere. Imidlertid, kun nær-infrarøde fotoner - med bølgelængder omkring 10 gange længere - kan transportere den information over kilometer af optiske fibre.

Nu, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har udviklet en ny måde at løse dette problem på. For første gang, holdet skabte kvante-korrelerede par bestående af en synlig og en nær-infrarød foton ved hjælp af chip-baserede optiske komponenter, der kan masseproduceres. Disse fotonpar kombinerer det bedste fra begge verdener:Partnerne med synligt lys kan interagere med fangede atomer, ioner, eller andre systemer, der fungerer som kvanteversioner af computerhukommelse, mens de nær-infrarøde medlemmer af hvert par frit kan forplante sig over lange afstande gennem den optiske fiber.

Præstationen lover at øge lysbaserede kredsløbs evne til sikkert at overføre information til fjerne steder. NIST-forskere Xiyuan Lu, Kartik Srinivasan og deres kolleger ved University of Maryland NanoCenter i College Park, demonstreret kvantekorrelationen, kendt som sammenfiltring, ved hjælp af et specifikt par af synligt lys og nær-infrarøde fotoner. Imidlertid, forskernes designmetoder kan let anvendes til at skabe mange andre synligt-lys/nær-infrarøde par, der er skræddersyet til at matche specifikke systemer af interesse. I øvrigt, de optiske miniaturekomponenter, der skabte forviklingerne, er fremstillet i stort antal.

Lu, Srinivasan og deres kolleger beskrev for nylig deres arbejde i Naturfysik .

En af de mere kontraintuitive egenskaber ved kvantemekanikken, kvantesammenfiltring opstår, når to eller flere fotoner eller andre partikler fremstilles på en måde, der gør dem så uløseligt forbundet, at de opfører sig som én enhed. En måling, der bestemmer kvantetilstanden af ​​en af ​​de sammenfiltrede partikler, bestemmer automatisk tilstanden af ​​den anden, også selvom de to partikler ligger på hver sin side af universet. Sammenfiltring er kernen i mange kvanteinformationsordninger, herunder kvanteberegning og kryptering.

I mange situationer, de to fotoner, der er sammenfiltret, har lignende bølgelængder, eller farver. Men NIST-forskerne satte sig bevidst for at skabe ulige par - sammenfiltring mellem fotoner, hvis farver er meget forskellige.

"Vi ønskede at forbinde fotoner med synligt lys, som er gode til at lagre information i atomare systemer, og telekommunikationsfotoner, som er i det nær-infrarøde og gode til at rejse gennem optiske fibre med lavt signaltab, " sagde Srinivasan.

For at gøre fotoner egnede til at interagere med de fleste kvanteinformationslagringssystemer, holdet havde også brug for, at lyset blev spidset skarpt ved en bestemt bølgelængde i stedet for at have en bredere, mere diffus fordeling.

For at skabe de sammenfiltrede par, holdet konstruerede et specielt skræddersyet optisk "hviskende galleri" - en siliciumnitridresonator i nanostørrelse, der styrer lyset rundt på en lille racerbane, svarende til den måde, lydbølger bevæger sig uhindret rundt om en buet væg, såsom kuplen i St. Paul's Cathedral i London. I sådanne buede strukturer, kendt som akustiske hviskegallerier, en person, der står nær den ene del af væggen, kan let høre en svag lyd, der stammer fra enhver anden del af væggen.

Når en valgt bølgelængde af laserlys blev rettet ind i resonatoren, sammenfiltrede par af synligt lys og nær-infrarøde fotoner dukkede op. (Den specifikke type sammenfiltring anvendt i eksperimentet, kendt som tids-energi sammenfiltring, forbinder fotonparrenes energi med det tidspunkt, hvor de genereres.)

"Vi fandt ud af, hvordan vi kunne konstruere disse hviskende galleriresonatorer til at producere et stort antal af de par, vi ønskede, med meget lidt baggrundsstøj og andet uvedkommende lys, " sagde Lu. Forskerne bekræftede, at sammenfiltring fortsatte, selv efter at telekommunikationsfotonerne rejste gennem flere kilometer optisk fiber.

I fremtiden, ved at kombinere to af de sammenfiltrede par med to kvantehukommelser, den sammenfiltring, der er iboende i fotonparrene, kan overføres til kvantehukommelserne. Denne teknik, kendt som entanglement swapping, gør det muligt for minderne at blive viklet ind i hinanden over en meget længere afstand, end det normalt ville være muligt.

"Vores bidrag var at finde ud af, hvordan man laver en kvantelyskilde med de rigtige egenskaber, der kunne muliggøre en sådan sammenfiltring på lang afstand, " sagde Srinivasan.