Forskere skaber sammenfiltrede fotoner 100 gange mere effektivt end tidligere muligt

Superhurtige kvantecomputere og kommunikationsenheder kan revolutionere utallige aspekter af vores liv - men først, forskere har brug for en hurtig, effektiv kilde til de sammenfiltrede par af fotoner, som sådanne systemer bruger til at transmittere og manipulere information. Forskere ved Stevens Institute of Technology har netop gjort det, ikke kun at skabe en chip-baseret fotonkilde 100 gange mere effektiv end tidligere muligt, men bringer massiv quantum device integration inden for rækkevidde.

"Det har længe været mistanke om, at dette var muligt i teorien, men vi er de første til at vise det i praksis, " sagde Yuping Huang, Gallagher lektor i fysik og direktør for Center for Quantum Science and Engineering.

For at skabe fotonpar, forskere fanger lys i omhyggeligt skulpturerede mikrohulrum i nanoskala; når lyset cirkulerer i hulrummet, dens fotoner resonerer og opdeles i sammenfiltrede par. Men der er en hage:i øjeblikket, sådanne systemer er ekstremt ineffektive, kræver en strøm af indkommende laserlys omfattende hundredvis af millioner af fotoner, før et enkelt sammenfiltret fotonpar modvilligt drypper ud i den anden ende.

Huang og kollegaer hos Stevens har nu udviklet en ny chip-baseret fotonkilde, der er 100 gange mere effektiv end nogen tidligere enhed, tillader skabelsen af ​​titusinder af sammenfiltrede fotonpar pr. sekund fra en enkelt mikrowatt-drevet laserstråle.

"Dette er en stor milepæl for kvantekommunikation, " sagde Huang, hvis arbejde vil blive vist i 17. december-nummeret af Fysisk gennemgangsbreve .

Arbejder med Stevens kandidatstuderende Zhaohui Ma og Jiayang Chen, Huang byggede på sit laboratoriums tidligere forskning for at udskære mikrohulrum af ekstrem høj kvalitet i flager af lithiumniobatkrystal. De racerbaneformede hulrum reflekterer internt fotoner med meget lidt tab af energi, gør det muligt for lyset at cirkulere længere og interagere med større effektivitet.

Ved at finjustere yderligere faktorer såsom temperatur, holdet var i stand til at skabe en hidtil uset lys kilde af sammenfiltrede fotonpar. I praksis, der gør det muligt at producere fotonpar i langt større mængder for en given mængde indkommende lys, dramatisk reducere den energi, der er nødvendig for at drive kvantekomponenter.

Teamet arbejder allerede på måder at forfine deres proces yderligere, og siger, at de snart forventer at opnå kvanteoptikkens sande hellige gral:et system med det kan forvandle en enkelt indkommende foton til et sammenfiltret par udgående fotoner, med stort set ingen spildenergi undervejs. "Det er helt klart muligt, " sagde Chen. "På dette tidspunkt har vi bare brug for trinvise forbedringer."

Indtil da, holdet planlægger at fortsætte med at forfine deres teknologi, og søger måder at bruge deres fotonkilde til at drive logiske porte og andre kvanteberegnings- eller kommunikationskomponenter. "Fordi denne teknologi allerede er chip-baseret, vi er klar til at begynde at skalere op ved at integrere andre passive eller aktive optiske komponenter, " forklarede Huang.

Det ultimative mål, Huang sagde, er at gøre kvanteenheder så effektive og billige i drift, at de kan integreres i almindelige elektroniske enheder. "Vi ønsker at bringe kvanteteknologi ud af laboratoriet, så det kan gavne hver enkelt af os, " forklarede han. "Snart vil vi have børn til at have kvantebærbare computere i deres rygsække, og vi presser hårdt på for at gøre det til en realitet."