science >> Wetenschap >  >> Fysica

Onderzoekers demonstreren nieuw type laser

Onderzoekers van QuTech hebben een on-chip microgolflaser gebouwd op basis van een fundamenteel aspect van supergeleiding, het AC Josephson-effect. Het apparaat is gemaakt van een enkele Josephson-junctie op nanoschaal die sterk is gekoppeld aan een supergeleidende holte. Wanneer een kleine gelijkspanning door een batterij over de junctie wordt aangelegd, het verschil in energie zorgt ervoor dat microgolven vrijkomen wanneer een Cooper-paar over de kruising tunnelt. De holte zorgt dan voor versterking, resulterend in een bundel coherent microgolflicht die uit de holte wordt uitgezonden. Het apparaat heeft mogelijk toepassingen bij het bouwen van een schaalbare kwantumcomputer. Credit:Technische Universiteit Delft

Lasers zijn tegenwoordig overal:artsen gebruiken ze om het gezichtsvermogen te corrigeren, kassamedewerkers om uw boodschappen te scannen, en kwantumwetenschapper om qubits in de toekomstige kwantumcomputer te controleren. Voor de meeste toepassingen, de huidige omvangrijke, energie-inefficiënte lasers zijn prima, maar kwantumwetenschappers werken bij extreem lage temperaturen en op zeer kleine schaal. Al meer dan 40 jaar, ze hebben gezocht naar efficiënte en nauwkeurige microgolflasers die de zeer koude omgeving waarin de kwantumtechnologie werkt niet zullen verstoren.

Een team van onderzoekers onder leiding van Leo Kouwenhoven van de TU Delft heeft een on-chip microgolflaser gedemonstreerd op basis van een fundamentele eigenschap van supergeleiding, het ac Josephson-effect. Ze hebben een klein deel van een onderbroken supergeleider ingebed, een Josephson-knooppunt, in een zorgvuldig ontworpen holte op de chip. Een dergelijk apparaat opent de deur naar vele toepassingen waarin microgolfstraling met minimale dissipatie centraal staat, bijvoorbeeld bij het aansturen van qubits in een schaalbare kwantumcomputer.

De wetenschappers hebben hun werk gepubliceerd in Wetenschap op 3 maart.

Lasers hebben het unieke vermogen om perfect gesynchroniseerd, coherent licht. Dit betekent dat de lijnbreedte (overeenkomend met de kleur) erg smal is. Meestal worden lasers gemaakt van een groot aantal emitters (atomen, moleculen, of halfgeleidende dragers) in een holte. Deze conventionele lasers zijn vaak inefficiënt, en tijdens het laseren veel warmte afgeven. Dit maakt ze moeilijk te gebruiken in cryogene omgevingen, zoals wat nodig is om een ​​kwantumcomputer te laten werken.

Supergeleidende Josephson-junctie

1911, de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes ontdekte dat sommige materialen bij zeer lage temperaturen overgaan in een supergeleidende toestand, waardoor elektrische stroom kan stromen zonder energieverlies. Een van de belangrijkste toepassingen van supergeleiding is het Josephson-effect:als een zeer korte barrière een stuk supergeleider onderbreekt, de elektrische dragers tunnelen door dit niet-supergeleidende materiaal volgens de wetten van de kwantummechanica. Bovendien, ze doen dat met een zeer karakteristieke frequentie, die kan worden gevarieerd door een extern aangelegde gelijkspanning. De Josephson junction is daarom een ​​perfecte spanning naar licht (frequentie) omzetter.

Josephson junctielaser

De wetenschappers van QuTech koppelden zo'n enkele Josephson-junctie aan een supergeleidende microholte van hoge kwaliteit, niet groter dan een mier. De Josephson-junctie werkt als een enkel atoom, terwijl de holte kan worden gezien als twee spiegels voor microgolflicht. Als er een kleine gelijkspanning op deze Josephson-junctie wordt gezet, het zendt microgolffotonen uit die in resonantie zijn met de holtefrequentie. De fotonen kaatsen heen en weer tussen twee supergeleidende spiegels, en dwingt de Josephson-junctie om meer fotonen uit te zenden die zijn gesynchroniseerd met de fotonen in de holte. Door het apparaat af te koelen tot ultralage temperaturen ( <1 Kelvin) en een kleine gelijkspanning aanleggen op de Josephson-junctie, de onderzoekers observeren een coherente bundel microgolffotonen die wordt uitgezonden aan de uitgang van de holte. Omdat de on-chip laser volledig is gemaakt van supergeleiders, het is zeer energiezuinig en stabieler dan eerder gedemonstreerde lasers op basis van halfgeleiders. Het gebruikt minder dan een picoWatt vermogen om te draaien, meer dan 100 miljard keer minder dan een lichtbol.

Kwantumcontrole met weinig verlies

Efficiënte bronnen van coherent microgolflicht van hoge kwaliteit zijn essentieel in alle huidige ontwerpen van de toekomstige kwantumcomputer. Microgolfuitbarstingen worden gebruikt om informatie uit te lezen en over te dragen, fouten corrigeren en toegang krijgen tot en controle hebben over de afzonderlijke kwantumcomponenten. Hoewel de huidige microgolfbronnen duur en inefficiënt zijn, de Josephson-junctielaser die bij QuTech is gemaakt, is energiezuinig en biedt een on-chip-oplossing die eenvoudig te bedienen en aan te passen is. De groep breidt hun ontwerp uit om afstembare Josephson-juncties te gebruiken die zijn gemaakt van nanodraden om microgolfuitbarstingen mogelijk te maken voor snelle controle van meerdere kwantumcomponenten. In de toekomst, zo'n apparaat kan zogenaamd "amplitude-squeezed" licht genereren met kleinere intensiteitsfluctuaties in vergelijking met conventionele lasers, dit is essentieel in de meeste kwantumcommunicatieprotocollen. Dit werk markeert een belangrijke stap in de richting van de controle van grote kwantumsystemen voor kwantumcomputers.