光子以前所未有的效率在基于芯片的系統(tǒng)上相互作用

為了處理信息，光子必須相互作用。但是，這些微小的光包彼此之間沒有任何關(guān)系，彼此通過(guò)而不會(huì)改變彼此。現(xiàn)在，史蒂文斯理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)誘使光子以前所未有的效率相互相互作用，這是實(shí)現(xiàn)期待已久的用于計(jì)算，通信和遙感的量子光學(xué)技術(shù)的重要進(jìn)步。

由物理學(xué)副教授，量子科學(xué)與工程中心主任黃玉平領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，通過(guò)納米級(jí)芯片使我們更接近了這一目標(biāo)，該芯片能夠以比以前任何系統(tǒng)更高的效率促進(jìn)光子相互作用。該新方法在Optica的9月18日發(fā)行的備忘錄中作了報(bào)告，該方法在非常低的能量水平下工作，表明可以對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化以在單個(gè)光子的水平??下工作-這是室溫量子計(jì)算的圣杯。安全的量子通信。

Huang說(shuō)：“我們正在推動(dòng)物理和光學(xué)工程的界限，以使量子和全光信號(hào)處理更接近現(xiàn)實(shí)。”

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Huang的團(tuán)隊(duì)將激光束發(fā)射到了賽道狀的微腔中，該微腔內(nèi)刻有一塊水晶。當(dāng)激光在賽道周圍反彈時(shí)，其受限制的光子彼此相互作用，產(chǎn)生諧波共振，從而引起一些循環(huán)光改變波長(zhǎng)。

這并不是一個(gè)全新的技巧，但是黃和他的同事，包括研究生陳嘉陽(yáng)和高級(jí)研究科學(xué)家Yong Meng Sua，通過(guò)在絕緣子上使用鈮酸鋰制成的芯片極大地提高了其效率，這種材料具有獨(dú)特的制造方法。與光相互作用。與硅不同，鈮酸鋰很難用常見的反應(yīng)氣體進(jìn)行化學(xué)蝕刻。因此，史蒂文斯(Stevens)的團(tuán)隊(duì)使用了一種離子銑削工具，本質(zhì)上是一種納米噴砂機(jī)，來(lái)蝕刻一條細(xì)小的賽道，其寬度約為人發(fā)寬度的一百分之一。

在定義賽道結(jié)構(gòu)之前，該團(tuán)隊(duì)需要施加高壓電脈沖以創(chuàng)建經(jīng)過(guò)仔細(xì)校準(zhǔn)的交替極性或周期性極化的區(qū)域，以調(diào)整光子在賽道上的移動(dòng)方式，從而增加它們相互影響的可能性。

Chen解釋說(shuō)，要蝕刻芯片上的跑道并調(diào)整光子在芯片上的移動(dòng)方式，就需要數(shù)十個(gè)精細(xì)的納米加工步驟，每個(gè)步驟都需要納米精度。“據(jù)我們所知，我們是最早掌握所有這些納米加工步驟以構(gòu)建該系統(tǒng)的小組之一，這就是我們首先獲得此結(jié)果的原因。”

展望未來(lái)，Huang和他的團(tuán)隊(duì)旨在增強(qiáng)水晶跑道限制和再循環(huán)光的能力，即Q因子。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)確定了將其Q因子提高至少10倍的方法，但是每一次升級(jí)都會(huì)使系統(tǒng)對(duì)不可察覺的溫度波動(dòng)(幾千度)更加敏感，并且需要進(jìn)行仔細(xì)的微調(diào)。

史蒂文斯團(tuán)隊(duì)仍然說(shuō)，他們正在關(guān)閉一個(gè)能夠可靠地在單光子級(jí)產(chǎn)生相互作用的系統(tǒng)，這一突破將使人們能夠創(chuàng)建許多強(qiáng)大的量子計(jì)算組件，例如光子邏輯門和糾纏源。一個(gè)電路可以同時(shí)解決同一個(gè)問(wèn)題的多個(gè)解決方案，可以想象，可能需要數(shù)年才能完成的計(jì)算只需幾秒鐘即可完成。

Chen說(shuō)，從那時(shí)起我們可能還有一段時(shí)間，但是對(duì)于量子科學(xué)家而言，這一旅程將是激動(dòng)人心的。該論文的主要作者陳說(shuō)：“這是圣杯。” “在通往圣杯的路上，我們正在認(rèn)識(shí)到許多以前沒有人做過(guò)的物理學(xué)。”