Forskere genererer afstembare to partikler af lys

Enæggede tvillinger kan virke 'ukendelige, 'men i kvanteverdenen får ordet et nyt niveau af betydning. Mens enæggede tvillinger deler mange træk, universet behandler to ikke -adskilte kvantepartikler som iboende udskiftelige. Dette åbner døren for, at partikler, der ikke kan skelnes, kan interagere på unikke måder - såsom i kvanteinterferens - som er nødvendige for kvantecomputere.

Mens generering af en mængde fotoner - partikler af lys - er lige så let som at dreje på en lyskontakt, det er sværere at lave et par fotoner, der ikke kan skelnes. Og det kræver endnu mere arbejde at udstyre det par med et kvantemekanisk led kendt som sammenfiltring. I et papir offentliggjort 10. maj, 2021 i bladet Naturfotonik , JQI-forskere og deres kolleger beskriver en ny måde at lave sammenfiltrede tvillingpartikler af lys og at justere deres egenskaber ved hjælp af en metode, der er bekvemt placeret på en chip, en potentiel velsignelse for kvanteteknologier, der kræver en pålidelig kilde til veltilpassede fotonpar.

Forskerne, ledet af JQI-stipendiat Mohammad Hafezi, designet metoden til at udnytte fordelene ved topologisk fysik. Topologisk fysik udforsker tidligere uudnyttede fysiske fænomener ved hjælp af det matematiske felt topologi, som beskriver fælles træk, der deles af forskellige former. (Hvor geometri angår vinkler og størrelser, topologi handler mere om huller og punkteringer-altomfattende egenskaber, der ikke afhænger af lokale detaljer.) Forskere har gjort flere store opdagelser ved at anvende denne tilgang, som beskriver, hvordan kvantepartikler - som elektroner eller, I dette tilfælde, fotoner - kan bevæge sig i et bestemt materiale eller en enhed ved at analysere dets brede karakteristika gennem linsen af ​​topologiske træk, der svarer til abstrakte former (såsom doughnuten på billedet ovenfor). De topologiske fænomener, der er blevet afsløret, er direkte knyttet til materialets generelle karakter; de skal eksistere selv i nærværelse af materielle urenheder, som ville forstyrre den jævne bevægelse af fotoner eller elektroner under de fleste andre omstændigheder.

Deres nye metode bygger på tidligere arbejde, herunder generering af en række adskilte fotonpar. Både i de nye og gamle forsøg, holdet skabte et skakbræt med ringe på en siliciumchip. Hver ring er en resonator, der fungerer som en lille racerbane designet til at holde visse fotoner på vej rundt og rundt i lang tid. Men da individuelle fotoner i en resonator lever efter kvanteregler, racerbilerne (fotonerne) kan nogle gange bare passere uændret gennem en mellemliggende væg og fortsætte i fart langs en nabobane.

Det gentagne gitter af ringe efterligner det gentagne gitter af atomer, som elektroner bevæger sig igennem i et fast stof, giver forskerne mulighed for at designe situationer for lys, der afspejler velkendte topologiske effekter i elektronik. Ved at skabe og udforske forskellige topologiske miljøer, holdet har udviklet nye måder at manipulere fotoner på.

"Det er nøjagtig den samme matematik, der gælder for elektroner og fotoner, "siger Sunil Mittal, en JQI postdoc-forsker og den første forfatter til papiret. "Så du får mere eller mindre alle de samme topologiske træk. Al den matematik, du laver med elektroner, du kan simpelthen bære til fotoniske systemer."

I det nuværende arbejde, de genskabte et elektronisk fænomen kaldet den uregelmæssige quantum Hall -effekt, der åbner veje for elektroner på kanten af ​​et materiale. Disse kantstier, som kaldes topologiske kanttilstande, eksisterer på grund af topologiske virkninger, og de kan pålideligt transportere elektroner, mens de efterlader ruter gennem det indre let forstyrrede og ufremkommelige. For at opnå denne særlige topologiske effekt kræver det, at lokaliserede magnetfelter skubber på elektroner, og at det samlede magnetfelt, når det beregnes i gennemsnit over større dele af materialet, udligner til nul.

Men fotoner mangler den elektriske ladning, der gør elektroner modtagelige for magnetiske skubber, så teamet måtte genskabe det magnetiske skub på en anden måde. For at opnå dette, de lagde sporene ud, så det er lettere for fotonerne at kvantemekanisk hoppe mekanisk mellem ringe i bestemte retninger. Dette simulerer den manglende magnetiske påvirkning og skaber et miljø med en fotonisk version af den anomale kvante Hall-effekt og dens stabile kantbaner.

Til dette eksperiment, holdet sendte to laserstråler af to forskellige farver (frekvenser) af lys ind i dette omhyggeligt designede miljø. Inde i en resonator, en foton fra hver af strålerne kombineres spontant. Forskerne observerede derefter, hvordan fotonerne blev omdannet til to fotoner, der ikke kunne skelnes, rejste gennem de topologiske kantbaner og blev til sidst slynget ud af chippen.

Da de nye fotoner blev dannet inde i en resonatorring, de tog de egenskaber (polarisering og rumlig tilstand) af fotoner, som resonatorerne er designet til at holde. Det eneste træk, der var tilbage, som holdet skulle bekymre sig om, var deres frekvenser.

Forskerne matchede fotonernes frekvenser ved at vælge de passende indgangsfrekvenser for de to lasere baseret på, hvordan de ville kombinere inde i siliciumresonatorerne. Med den passende teoretiske forståelse af eksperimentet, de kan producere fotoner, der ikke kan skelnes kvantemekanisk.

Arten af ​​dannelsen af ​​de nye fotoner giver de ønskede kvanteegenskaber. Fotonerne er kvantemekanisk sammenfiltrede på grund af den måde, de blev genereret på som par; deres kombinerede egenskaber - ligesom parrets samlede energi - er begrænset af, hvad de originale fotoner bragte ind i blandingen, så at observere den enes egenskaber afslører øjeblikkeligt den tilsvarende kendsgerning om den anden. Indtil de bliver observeret - dvs. opdaget af forskerne - de eksisterer ikke som to individuelle partikler med forskellige kvantetilstande for deres frekvenser. Hellere, de er identiske blandinger af mulige frekvenstilstande kaldet en superposition. De to fotoner, der ikke kan skelnes, betyder, at de kan kvantemekanisk forstyrre hinanden

Den resulterende kombination af at være ude af skel og viklet er afgørende for mange potentielle anvendelser af fotoner i kvanteteknologier. En yderligere heldig bivirkning af forskerens topologiske tilgang er, at den giver dem en større mulighed for at justere frekvenserne af tvillingefotonerne baseret på de frekvenser, de pumper ind i chippen, og hvor godt frekvenserne passer til de topologiske tilstande på kanten af enhed.

"Dette er ikke den eneste måde at generere sammenfiltrede fotonpar - der er mange andre enheder - men de kan ikke indstilles, " siger Mittal. "Så når du først har fremstillet din enhed, det er hvad det er. Hvis du vil ændre fotonernes båndbredde eller gøre noget andet, det er ikke muligt. Men i vores tilfælde, vi behøver ikke at designe en ny enhed. Vi viste, at blot ved at indstille pumpens frekvenser, vi kunne justere interferensegenskaberne. Så, det var meget spændende."

Kombinationen af ​​de enheder, der er afstembare og robuste mod produktionsfejl, gør dem til en tiltalende mulighed for praktiske applikationer, siger forfatterne. Holdet planlægger at fortsætte med at udforske potentialet i denne teknik og relaterede topologiske enheder og mulige måder at forbedre enhederne på, såsom at bruge andre materialer til at fremstille dem.