Ultraminiaturisierte nicht-klassische Lichtquellen für Quantengeräte

Nicht-klassische Lichtzustände wie einzelne Photonen und verschränkte Photonen sind Schlüsselbestandteile für Chips, die sich der Quantenberechnung, Quantensensorik, Quantenmessung usw. widmen. Die Herstellung eines traditionellen Chips ist schwierig, aber mit Milliarden von Dollar an Spezialausrüstung (und Jungs in weißen Häschenanzügen) ist machbar. Die Herstellung eines Quantenchips ist sogar noch schwieriger. Außerdem werden nichtlineare Lichtquellen benötigt, und es ist wesentlich, diese Lichtquellen herstellbar zu machen.

Der Bau von ≈ 20 µm nicht-klassischen Lichtquellen wird in „Canonical Resonant Four-Wave-Mixing in Photonic Crystal Cavities: Tuning, Tolerances and Scaling“ demonstriert. Das Papier stammt aus allen vier Ecken Frankreichs und dem US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) in Maryland. Sie beginnen mit der Erörterung von Quantenresonatoren, die nicht-klassische Lichtzustände erzeugen, wie der Mikroring und der photonische Kristall (PhC)-Hohlraum.

Die Forscher hatten die „exotische“ Wahl getroffen, den photonischen Kristall, und den ersten optisch parametrischen Oszillator (OPO) entwickelt, der bei Raumtemperatur mit einer Dauerstrichpumpe im Mikrowattbereich arbeitet. Statt Silizium wird Indium-Gallium-Phosphid (InGaP) verwendet. Das Testfahrzeug wurde für den Betrieb im Telekommunikations-Spektralbereich ausgelegt, obwohl das Emissionsspektrum einfach konstruiert werden kann. Sie demonstrierten die Wiederholbarkeit im Herstellungsprozess und die Fähigkeit, eine effiziente parametrische Umwandlung mit sehr geringer Pumpleistung (≈ 40 µW) zu erreichen, ein Schlüssel zum Energiesparen.

Das Gerät emittiert korrelierte Photonen und Quadratur-gequetschtes Vakuum unterhalb und während unterhalb und nahe einer Schwelle, die beide Ressourcen für Quanteninformationen sind. Oberhalb der Schwelle emittiert der OPO korrelierte kohärente Lichtstrahlen, indem er die Leistung der Pumpe effizient umwandelt. An dieser Stelle setzt diese Veröffentlichung an. Es ist sozusagen ein „Kapitel 2“, das mehr Messungen am OPO liefert und Themen wie Abstimmung, Qualität, Toleranzen und Skalierung untersucht.

Das Papier, veröffentlicht in IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, ist ziemlich lesenswert. Photonen aus dem Pumpenzerfall, gequetschtes Licht, flüsternde Galeriemoden, entartete Fälle – klassische Science-Fiction. Aber warten Sie, ein Handlungswechsel: Zeit-Energie-verschränkte Photonenpaare und Bedingungen des „sanften“ Einschlusses. Wow.

Die reizvolle Sprache der photonischen integrierten Schaltkreise für Quantencomputer täuscht über ihre Ernsthaftigkeit hinweg. Es gibt einen Grund, warum NIST, das Commerce Department Lab, beteiligt ist. NIST beaufsichtigt die Cybersicherheitstechnologie. Wenn schlechte Schauspieler ihre Quantenchips vor uns herstellen lassen, können sie jeden Code knacken. Wie die Autoren erklären, besteht der Quantenvorteil gegenüber heutigen digitalen Chips darin, dass die Quantenmechanik innerhalb eines Kristalls eine nicht-exponentielle Skalierung ermöglicht, wenn es um fantastisch komplexe Mathematik geht.

Also zurück zu photonischen Kristallkavitäten, gehen wir zurück.

Abschnitt II des Papiers ist ein tiefer Einblick in das Konzept des kanonischen resonanten Vierwellenmischens (FWM), was bedeutet, dass FWM in einem Hohlraum auftritt, der die Interaktion von nur drei Moden (vier im nicht entarteten Fall) ermöglicht. Die Verwendung von „kanonisch“ bezieht sich hier auf die Details einer Hamiltonschen Matrixtransformation (Mathematik).

Sie verteidigen ihre Wahl eines PhC-Hohlraum-Visa-Viering-Resonators, wenn es um strukturelle Unordnung geht. Sie zeigen, wie man einen Resonator mit einer vorgeschriebenen Anzahl von Moden erstellt, und nicht mehr. Dies ist wichtig, da zusätzliche Moden ein größeres Volumen für den Resonator bedeuten. Noch wichtiger ist, dass jeder dieser Moden unabhängig gesteuert werden kann, dh ihr Frequenzabstand und ihr Qualitätsfaktor können so gestaltet werden, dass sie unterschiedlich sind.

Dies führt zu einer überlegenen Kontrolle über die parametrischen Prozesse, wodurch sichergestellt wird, dass nur die gewünschten Wechselwirkungen effizient stattfinden, wodurch parasitäre Effekte unterdrückt werden. Zugegeben, dieses Maß an Kontrolle in der Praxis zu erreichen, ist eine große Herausforderung.

In Abschnitt III vergleichen die Autoren die Eigenschaften von drei Geometrien von PhC-Multimode-Resonatoren. Der photonische Kristall besteht aus einer 200 nm dünnen Schicht aus In0,5Ga0,5P mit einem zweidimensionalen Lochmuster.

Abschnitt IV berichtet über eine detaillierte statistische Analyse einer Charge neuer Geräte. Die Autoren zeigen, dass strukturelle Unordnung unkorrelierte Schwankungen der Moden desselben Resonators induziert. Hier wird der Stimmmechanismus im Detail besprochen. In Abschnitt V vergleichen die Autoren Theorie und Experiment zur parametrischen Oszillation in 11 OPOs, mit guter Übereinstimmung bei Schwellen- und Steigungseffizienz.