Undersøgelse baner vej for udvikling af avancerede kvantenetværk

Evnen til at transmittere information kohærent i båndet af det elektromagnetiske spektrum fra mikrobølge til infrarød er af vital betydning for udviklingen af ​​de avancerede kvantenetværk, der bruges i databehandling og kommunikation.

En undersøgelse udført af forskere ved State University of Campinas (UNICAMP) i Brasilien, i samarbejde med kolleger ved ETH Zürich i Schweiz og TU Delft i Holland, fokuserede på brugen af ​​nanometriske optomekaniske hulrum til dette formål. Disse resonatorer i nanoskala fremmer interaktion mellem højfrekvente mekaniske vibrationer og infrarødt lys ved bølgelængder, der bruges af telekommunikationsindustrien.

En artikel om undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

"Nanomekaniske resonatorer fungerer som broer mellem superledende kredsløb og optiske fibre. Superledende kredsløb er i øjeblikket blandt de mest lovende teknologier til kvanteberegning, mens optiske fibre rutinemæssigt bruges som langdistancetransmittere af information med lidt støj og intet signaltab," sagde Thiago Alegre, professor ved Gleb Wataghin Institute of Physics (IFGW-UNICAMP) og sidste forfatter til artiklen.

Ifølge Alegre var en af ​​de vigtigste nyskabelser i undersøgelsen indførelsen af ​​dissipativ optomekanik. Traditionelle optomekaniske enheder er afhængige af rent dispersiv interaktion, hvor kun fotoner indespærret i hulrummet er effektivt spredt. I dissipativ optomekanik kan fotoner spredes direkte fra bølgelederen til resonatoren. "Optoakustisk interaktion kan styres mere stramt som et resultat," sagde han.

Forud for denne undersøgelse var dissipativ optomekanisk interaktion kun blevet påvist ved lave mekaniske frekvenser, hvilket udelukker vigtige applikationer såsom kvantetilstandsoverførsel mellem de fotoniske (optiske) og fononiske (mekaniske) domæner. Undersøgelsen demonstrerede det første dissipative optomekaniske system, der fungerede i et regime, hvor den mekaniske frekvens oversteg den optiske linjebredde.

"Det lykkedes os at hæve den mekaniske frekvens med to størrelsesordener og opnåede en tidoblet stigning i den optomekaniske koblingshastighed. Dette giver meget lovende udsigter for udviklingen af ​​endnu mere effektive enheder," sagde Alegre.

Kvantenetværk

Enhederne er fremstillet i samarbejde med TU Delft og er designet til at bruge teknologier, der er veletablerede i halvlederindustrien. Nanometriske siliciumstråler var ophængt og fri til at vibrere, så infrarødt lys og mekaniske vibrationer blev begrænset samtidigt. En sideværts placeret bølgeleder placeret for at tillade koblingen af ​​den optiske fiber til hulrummet gav anledning til dissipativ kobling, den vigtigste ingrediens i resultaterne præsenteret af forskerne.

Undersøgelsen giver nye muligheder for opbygning af kvantenetværk. Ud over denne umiddelbare ansøgning lægger den et grundlag for fremtidig grundforskning. "Vi forventer at være i stand til at manipulere mekaniske tilstande individuelt og afbøde optiske ikke-lineariteter i optomekaniske enheder," sagde Alegre.

Flere oplysninger: André G. Primo et al., Dissipativ optomekanik i højfrekvente nanomekaniske resonatorer, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41127-7

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af FAPESP