Klemning af lys:Udvikling af en integreret nanofotonisk enhed til at generere klemt lys

Forskere kan generere sammenpresset lys via stærkt drevet spontan fire-bølge blanding under tærskelværdien i siliciumnitrid mikroringresonatorer. Det genererede lys kan karakteriseres med homodyndetektion (for at udtrække fase- eller frekvenskodet information) og gennem direkte målinger af fotonstatistik. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Videnskab fremskridt , V.D. Vaidya, og et team af forskere i Canada og USA målte det kvadratur-klemte vakuum og fotontalsforskel genereret i en integreret nanofotonisk enhed. Resultaterne vil påvirke applikationer inden for kvanteteknologi.

Konceptet med klemt lys er relevant i kvanteoptisk behandling, hvor de tilknyttede arkitekturer af kontinuerlig variabel fotonik kræver høj kvalitet, skalerbare enheder til at generere sammenpresset lys til mange grundlæggende fotoniske kvanteinformationsbehandlingsapplikationer. Eksempler inkluderer kontinuerlig variabel (CV) kvanteberegning og Gaussisk bosonsampling, som er en lovende vej til at opnå næsten termisk kvantefordel og rumme en række spændende koncepter, inklusive simuleringer af molekylært vibronisk spektrum, graf isomorfisme, perfekte matchninger og graflighed.

Klemt lys til kvanteoptisk behandling

De fleste af disse kvanteapplikationer kræver en skalerbar kilde af klemt lys for at implementere og forbedre optisk sansning nær kvantegrænsen. Integreret fotonik er en naturlig platform til at udforske disse skalerbare sammenpressede lyskilder, hvor stabiliteten og fremstillingsevnen med høj kapacitet, der tilbydes af moderne litografiske (mønstrende) metoder, præsenterer lovende veje til at realisere nyttige kvanteteknologier i skala. Imidlertid, fremskridt til dato med chip-integreret klemning er begrænset. I denne undersøgelse, derfor, Vaidya et al. brugt spontan fire-bølge blanding (SWFM) i siliciumnitrid mikroringresonatorer for at give en let tilgængelig og moden teknologi på kommercielle fremstillingsplatforme.

Selve det eksperimentelle apparat havde enkle dimensioner, hvor både kvadratur- og fotontalforskelklemning kunne genereres i siliciumnitrid (Si ₃ N ₄ ) mikroring resonatorer, punkt koblet til kanalbølgeledere. Opsætningen inkluderede også mikrovarmere, der var overlejret for resonansbølgelængdejustering og stabilisering. Forskerne brugte et kommercielt støberi til fremstilling, hvor bølgelederen indeholdt siliciumnitrid fuldt beklædt med siliciumdioxid (SiO) ₂ ). Holdet brugte SWFM til at generere squeezing og danne et par signal- og tomgangsfotoner. Den eksperimentelle opsætning tillod betydelig kvadraturklemning ved beskedne inputeffektniveauer. Holdet målte kvadratur- og fotontalstatistikken fra enheden og sammenlignede resultaterne med teoretiske forudsigelser.

Kvadraturklemning - eksperimentet

Holdet karakteriserede kvantetilstanden af ​​resonatorudgangen som en to-mode klemt vakuumtilstand udsat for tab, hvor tabet opstod fra hulrummets ufuldkomne flugteffektivitet og nedstrøms tab ved chippens koblingspunkt. Forskerne forstod denne tilstand som et produkt af to single-mode pressede tilstande:hver med en frekvensunderstøttelse ved både signal- og tomgangsresonans. Vaidya et al. målte kvadraturvarianserne af de interessante tilstande ved hjælp af balanceret homodyndetektion, en metode, der tillod udtrækning af information kodet som fasen eller frekvensen af ​​et oscillerende signal.

Under forsøget, holdet koblede en kontinuerlig bølgepumpe ind i chippen for at udvinde lys via lavtabs-kantkoblere. Pumpen exciterede en enkelt resonans af mikroringen i chippen for at generere lys over flere signal- og tomgangspar. Holdet valgte et sådant par signal- og tomgangstilstande med off-chip-bølgelængdefiltre til analyse. De producerede derefter en bi-kromatisk lokaloscillator og kombinerede denne med signalet og tomgangslyset på en afstembar fiberstråledeler. Baseret på resultaterne, forskerne skønnede, at omkring 4 dB klemning var tilgængelig ved overvågningsudgangen på chippen, og opnået bredbåndsklemning, begrænset af resonanslinjebredder. Imidlertid, bortset fra tab og begrænsninger af pumpekraft tilstedeværelsen af ​​støj for begrænset lysklemning. For at undgå, at korrupt lys klemmes ind i enheder, derfor, holdet vurderede tilstedeværelsen af ​​overskydende støj i systemet, inden for klemmebåndet og foreslåede yderligere optimeringstrin for at forbedre præcisionen og bedre vurdere effekten.

Fotontal korrelationer

Selvom homodyne målinger nøjagtigt evaluerede kvadraturklemning, holdet bekræftede også kompatibiliteten af ​​en klemt lyskilde med fotontælling. Forskerne udførte nummeropløsende detektion på enhedens output, til dette eksperiment, de brugte en mikroringresonator med et bredere tværsnit. Vaidya et al. derefter adskilte signalet og tomgang genereret i opsætningen og filtreret dem via bølgelængde division multipleksing komponenter. De koblede derefter outputtet til superledende fotontal-resolverende overgangskantsensorer (TES'er) for at give fotonnummeropløsning til omkring 10 fotoner pr. kanal. Forskerne registrerede et bemærkelsesværdigt træk i arbejdet, hvor de opdagede en høj frekvens af korrelerede multifotonhændelser. Resultaterne viste generering af 'mange-fotontilstande' i en nanofotonisk platform med meget højere hastigheder for at motivere udviklingen af ​​applikationer, der kræver klemte lyskilder.

På denne måde, V. D. Vaidya og kolleger genererede næsten enkelte tidsmæssige pressede tilstande uden specielle tekniske effekter på grund af opsætningens resonante natur. Tab var den primære begrænsende faktor for ydeevne, som kan forbedres for at opnå højere resonatorkvalitetsfaktorer for bedre lysklemningseffekter. Holdet foreslår at forbedre signal-til-støj-forholdet for at forbedre generationseffektiviteten ved at reducere mængden af ​​strøm, der kræves for at fungere på det ønskede niveau af klemning. Dette vil også reducere antallet af fotoner, der genereres på grund af spontan Raman-spredning i fiberkomponenterne, der udgør enheden. Der skal udvises forsigtighed under støjdæmpning for at forhindre undertrykkelse af forsøgsordningen. Holdet vil naturligvis danne de næste trin for at konstruere chip-integrerede klemte lyskilder.

© 2020 Science X Network