Супер бързите квантови компютри и комуникационни устройства могат да революционизират безброй аспекти от нашия живот, но първо изследователите се нуждаят от бърз, ефективен източник на заплетените двойки фотони, които такива системи използват за предаване и манипулиране на информация. Изследователите от Технологичния институт Стивънс са направили точно това, създавайки базиран на чип източник на фотони 100 пъти по-ефективен от предишния възможен.
"Отдавна се подозира, че това е възможно на теория, но ние сме първите, които го показваме на практика", казва Юпинг Хуанг, доцент по физика и директор на Центъра за квантова наука и инженерство.
За да създадат двойки фотони, изследователите улавят светлината във внимателно изваяни наномащабни микрокухини. Докато светлината циркулира в кухината, нейните фотони резонират и се разделят на заплетени двойки. Но има уловка: понастоящем подобни системи са изключително неефективни, изисквайки порой от входяща лазерна светлина, състоящ се от стотици милиони фотони, преди една-единствена заплетена двойка фотони неохотно да се появи на изхода.
Сега Хуанг и екипът му са разработили нов фотонен източник, базиран на чип, който е 100 пъти по-ефективен от всяко предишно устройство, което позволява създаването на десетки милиони заплетени двойки фотони в секунда от един лазерен лъч, захранван с микроват.
"Това е огромен крайъгълен камък за квантовите комуникации", казва Хуанг, чиято работа е публикувана във Physical Review Letters от 17 декември.
Изследователят се основава на предишните изследвания на лабораторията си, за да издълбае изключително висококачествени микрокухини в люспи от литиев ниобатен кристал. Кухините с форма на състезателна писта вътрешно отразяват фотоните с много малка загуба на енергия, позволявайки на светлината да циркулира по-дълго и да взаимодейства с по-голяма ефективност.
Чрез фина настройка на допълнителни фактори като температура, екипът успява да създаде безпрецедентно ярък източник на заплетени двойки фотони. На практика това позволява двойките фотони да се произвеждат в много по-големи количества за дадено количество входяща светлина, драстично намалявайки енергията, необходима за захранване на квантовите компоненти.
Екипът вече работи по по-нататъшно усъвършенстване на техния процес и казват, че очакват скоро да постигнат истинския Свещен Граал на квантовата оптика - система, която може да превърне един входящ фотон в заплетена двойка изходящи фотони, практически без да губи енергия по пътя. "Определено е постижимо", каза Чен. "В този момент ние просто се нуждаем от допълнителни подобрения."
Дотогава екипът планира да продължи да усъвършенства технологията си и да търси начини да използва своя фотонен източник за логически гейтове, квантови изчисления или комуникационни компоненти. "Тъй като тази технология вече е базирана на чип, ние сме готови да започнем да интегрираме с други пасивни или активни оптични компоненти", обяснява Хуанг.
Крайната цел, казва изследователят, е да се направят квантовите устройства толкова ефективни и евтини за работа, че да могат да бъдат интегрирани в масовите електронни устройства. "Искаме да изведем квантовата технология от лабораторията, така че тя да е от полза за всеки един от нас", обяснява той. "Някой ден, скоро, искаме децата да имат квантови лаптопи в раниците си и усилено работим това да стане реалност."
Ultrabright quantum photon sources on chip, Physical Review Letters (2020). arxiv.org/abs/2010.04242
