Optische snelwegen voor licht vormen de kern van moderne communicatie. Maar als het gaat om het geleiden van individuele lichtflitsen, fotonen genaamd, betrouwbare doorvoer komt veel minder vaak voor. Nutsvoorzieningen, een samenwerking van onderzoekers van het Joint Quantum Institute (JQI), geleid door JQI Fellows Mohammad Hafezi en Edo Waks, heeft een fotonische chip gemaakt die beide losse fotonen genereert, en stuurt ze rond. Het apparaat, beschreven in het nummer van 9 februari van Wetenschap , beschikt over een manier waarop het kwantumlicht naadloos kan bewegen, onaangetast door bepaalde obstakels.

"Dit ontwerp bevat bekende ideeën die de stroom van stroom in bepaalde elektrische apparaten beschermen, "zegt Hafezi. "Hier, we creëren een analoge omgeving voor fotonen, een die de integriteit van kwantumlicht beschermt, zelfs in aanwezigheid van bepaalde gebreken."

De chip begint met een fotonisch kristal, dat is een gevestigde, veelzijdige technologie die wordt gebruikt om wegen voor licht te creëren. Ze worden gemaakt door gaatjes door een vel halfgeleider te ponsen. voor fotonen, het herhaalde gatenpatroon lijkt erg op een echt kristal gemaakt van een raster van atomen. Onderzoekers gebruiken verschillende gatenpatronen om de manier te veranderen waarop licht door het kristal buigt en weerkaatst. Bijvoorbeeld, ze kunnen de gatgroottes en scheidingen aanpassen om beperkte rijstroken te maken die bepaalde lichte kleuren doorlaten, terwijl je anderen verbiedt.

Soms, zelfs in deze zorgvuldig vervaardigde apparaten, er zijn gebreken die de beoogde route van het licht veranderen, waardoor het in een onverwachte richting uitwijkt. Maar in plaats van hun chips te ontdoen van elke fout, het JQI-team lost dit probleem op door de gatvormen en het kristalpatroon van het kristal te heroverwegen. In de nieuwe chip ze etsen duizenden driehoekige gaten uit in een reeks die lijkt op de honingraat van een bij. Langs het midden van het apparaat verschuiven ze de afstand van de gaten, wat een ander soort rijstrook voor het licht opent. Eerder, deze onderzoekers voorspelden dat fotonen die langs die lijn van verschoven gaten bewegen ongevoelig zouden moeten zijn voor bepaalde defecten vanwege de algehele kristalstructuur, of topologie. Of de baan nu een bochtige weg is of een rechte slag, het pad van het licht van oorsprong naar bestemming moet worden verzekerd, ongeacht de details van de weg.

Het licht is afkomstig van kleine vlekjes halfgeleider-nagesynchroniseerde kwantumstralers - ingebed in het fotonische kristal. Onderzoekers kunnen lasers gebruiken om dit materiaal te prikkelen om enkele fotonen vrij te geven. Elke zender kan energie winnen door laserfotonen te absorberen en energie verliezen door die fotonen later uit te spugen. een per keer. Fotonen die uit de twee meest energetische toestanden van een enkele zender komen, hebben verschillende kleuren en draaien in tegengestelde richtingen. Voor dit experiment is het team gebruikt fotonen van een zender die in de buurt van het centrum van de chip is gevonden.

Het team testte de mogelijkheden van de chip door eerst een kwantumstraler te veranderen van de laagste energietoestand naar een van de twee hogere energietoestanden. Bij het ontspannen terug naar beneden, de zender springt een foton uit in de nabijgelegen rijbaan. Ze hebben dit proces vele malen voortgezet, met behulp van fotonen uit de twee hogere energietoestanden. Ze zagen dat fotonen die werden uitgezonden vanuit de twee staten er de voorkeur aan gaven in tegengestelde richtingen te reizen, wat het bewijs was van de onderliggende kristaltopologie.

Om te bevestigen dat het ontwerp inderdaad beveiligde rijstroken voor afzonderlijke fotonen zou kunnen bieden, het team maakte een draai van 60 graden in het gatenpatroon. In typische fotonische kristallen, zonder ingebouwde beschermende functies, zo'n knik zou er waarschijnlijk toe leiden dat een deel van het licht naar achteren wordt gereflecteerd of elders wordt verstrooid. In deze nieuwe chip topologie beschermde de fotonen en liet ze ongehinderd hun weg vervolgen.

"Op het internet, informatie beweegt in pakketjes licht die veel fotonen bevatten, en een paar verliezen doet je niet al te veel pijn", zegt co-auteur Sabyasachi Barik, een afgestudeerde student aan JQI. "Bij de verwerking van kwantuminformatie, we moeten elk afzonderlijk foton beschermen en ervoor zorgen dat het onderweg niet verloren gaat. Ons werk kan sommige vormen van verlies verlichten, zelfs als het apparaat niet helemaal perfect is."

Het ontwerp is flexibel, en zou onderzoekers in staat kunnen stellen om systematisch paden voor afzonderlijke fotonen te assembleren, zegt Waaks. "Zo'n modulaire benadering kan leiden tot nieuwe soorten optische apparaten en op maat gemaakte interacties tussen kwantumlichtstralers of andere soorten materie mogelijk maken."