纳米光子频率转换器可实现单光子颜色转换-PG电子平台

本文摘要:纳米光子频率转换器的假彩色扫瞄电子显微照片,该转换器包括一个环形谐振器(蓝色阴影部分),用波导(红色部分)将光流经到环形谐振器中。输出信号用紫色箭头回应,通过使用两个泵浦激光器(暗红色和暗红色箭头)切换为新的频率(蓝色箭头)。 将单个光子从一个颜色或频率切换到另一个颜色或频率是量子通信中的一个最重要工具,它利用光子(光的粒子)的亚原子特性之间的错综复杂关系来安全性地存储和传递信息。

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纳米光子频率转换器的假彩色扫瞄电子显微照片,该转换器包括一个环形谐振器(蓝色阴影部分),用波导(红色部分)将光流经到环形谐振器中。输出信号用紫色箭头回应,通过使用两个泵浦激光器(暗红色和暗红色箭头)切换为新的频率(蓝色箭头)。  将单个光子从一个颜色或频率切换到另一个颜色或频率是量子通信中的一个最重要工具,它利用光子(光的粒子)的亚原子特性之间的错综复杂关系来安全性地存储和传递信息。

国家标准与技术研究所的科学家们现在用于类似于生产计算机芯片的技术早已研发出有一种小型化的频率转换器。  这个微小的器件,将有助提升安全性和减少下一代量子通信系统的工作距离,可以展开调整使其限于于各种各样的用途,也使其更容易与其他信息处理元件的构建,并且可以大规模生产。  这个新的纳米尺度的光频转换器有效地将光子从一个频率切换到另一个频率同时只消耗少量的功率和减少一个非常低的噪音水平,即背景光与输出信号不涉及。

  频率转换器是解决问题两个问题的关键。量子系统生成和存储信息的最佳频率一般来说相比之下低于在光纤中将这些信息传输公里以上的距离时所须要的频率。在这些频率之间切换光子必须展开几百个太赫兹的频移(一太赫兹相等每秒一万亿个波周期)。

  当两个本来想是几乎一样的量子系统的形状和构成具备一个小的变化时,一个更加小但依然很关键的频率失配就经常出现了。这些变化导致系统产生的光子在频率上不会有严重的有所不同而不是量子通信网络有可能必须的准确拷贝。  这个新的光子频率转换器,作为一个纳米光子工程的实例,同时解决问题了这两个问题,QingLi,MarceloDavanco和KartikSrinivasan在《NaturePhotonics》杂志上报导说道。

该芯片构建装置的关键部件是一个微小的环形谐振腔,其具备大约80微米的直径(额大于人类头发的宽度)和零点几微米的厚度。这个由氮化硅做成的环的形状和尺寸被展开了优化,以提升材料将光从一个频率切换到另一个频率的固有特性。这个环形谐振腔由两个泵浦激光器驱动,每一个激光器工作在独立国家的频率上。在一个被称作四波混频布拉格衍射的体系中,一个转入该环型谐振器的光子的频率不会有一个变化,其变化的量相等这两个泵浦激光器的频率劣。

  就像在赛道上骑车一样,入射光在从谐振器里面出来之前早已环行了数百次,这极大地提高了设备在较低功率和较低背景噪声下切换光子频率的能力。与以往的实验中必须用几瓦的功率有所不同,该系统仅有消耗大约百分之几瓦的功率。

更加最重要的是,减少的噪音的量充足较低,从而可以用在未来用于单光子源的实验中。  虽然其他的技术早已被应用于到频率切换上,纳米光子技术也有它的益处,它有可能使设备更加小,更容易自定义,更加较低的功耗,和相容批量生产技术,Srinivasan说道。我们的工作是第一个合适这个艰难的量子频率切换任务的纳米光子技术的样板。  这项工作是由NIST纳米科学与技术中心的研究人员已完成的。


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