Optische Photonen sind ideale Träger von Quanteninformationen. Aber um in einem Quantencomputer oder Netzwerk zusammenzuarbeiten, müssen sie die gleiche Farbe – oder Frequenz – und Bandbreite haben. Das Ändern der Frequenz eines Photons erfordert das Ändern seiner Energie, was bei integrierten photonischen Chips eine besondere Herausforderung darstellt.
Kürzlich haben Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) einen integrierten elektrooptischen Modulator entwickelt, der die Frequenz und Bandbreite einzelner Photonen effizient ändern kann. Das Gerät könnte für fortschrittlichere Quantencomputer und Quantennetzwerke verwendet werden.
Die Forschung ist veröffentlicht in Licht: Wissenschaft & Anwendungen.
Die Umwandlung eines Photons von einer Farbe in eine andere erfolgt normalerweise, indem das Photon in einen Kristall geschickt wird, durch den ein starker Laser scheint, ein Prozess, der dazu neigt, ineffizient und laut zu sein. Die Phasenmodulation, bei der die Schwingung der Photonenwelle beschleunigt oder verlangsamt wird, um die Frequenz des Photons zu ändern, bietet eine effizientere Methode, aber das für einen solchen Prozess erforderliche Gerät, ein elektrooptischer Phasenmodulator, hat sich als schwierig auf einem Chip zu integrieren erwiesen.
Ein Material kann für eine solche Anwendung besonders geeignet sein: Dünnfilm-Lithiumniobat.
„In unserer Arbeit haben wir ein neues Modulatordesign auf Dünnfilm-Lithiumniobat eingeführt, das die Geräteleistung erheblich verbessert hat“, sagte Marko Lončar, Tiantsai Lin-Professor für Elektrotechnik am SEAS und leitender Autor der Studie. „Mit diesem integrierten Modulator haben wir rekordhohe Terahertz-Frequenzverschiebungen einzelner Photonen erreicht.“
Das Team verwendete denselben Modulator auch als „Zeitlinse“ – ein Vergrößerungsglas, das Licht in der Zeit statt im Raum beugt – um die spektrale Form eines Photons von dick zu dünn zu ändern.
„Unser Gerät ist viel kompakter und energieeffizienter als herkömmliche Bulk-Geräte“, sagte Di Zhu, der Erstautor der Veröffentlichung. „Es kann mit einer Vielzahl klassischer und Quantengeräte auf demselben Chip integriert werden, um eine anspruchsvollere Quantenlichtsteuerung zu realisieren.“
Di ist ein ehemaliger Postdoktorand bei SEAS und ist derzeit Forschungswissenschaftler bei der Agentur für Wissenschaft, Forschung und Technologie (A*STAR) in Singapur.
Als nächstes will das Team mit dem Gerät die Frequenz und Bandbreite von Quantenemittern für Anwendungen in Quantennetzwerken steuern.
Die Forschung war eine Zusammenarbeit zwischen Harvard, MIT, HyperLight und A*STAR.
Das Papier wurde von Changchen Chen, Mengjie Yu, Linbo Shao, Yaowen Hu, CJ Xin, Matthew Yeh, Soumya Ghosh, Lingyan He, Christian Reimer, Neil Sinclair, Franco NC Wong und Mian Zhang mitverfasst.
Mehr Informationen:
Di Zhu et al., Spektrale Steuerung nichtklassischer Lichtimpulse mit einem integrierten Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulator, Licht: Wissenschaft & Anwendungen (2022). DOI: 10.1038/s41377-022-01029-7