Om informatie te verwerken, fotonen moeten interageren. Echter, deze kleine pakketjes licht willen niets met elkaar te maken hebben, elk voorbij zonder de ander te veranderen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Stevens Institute of Technology hebben fotonen overgehaald om met een ongekende efficiëntie met elkaar te interageren - een belangrijke stap vooruit in de richting van het realiseren van langverwachte kwantumoptica-technologieën voor computers, communicatie en teledetectie.

Het team, geleid door Yuping Huang, een universitair hoofddocent natuurkunde en directeur van het Center for Quantum Science and Engineering, brengt ons dichter bij dat doel met een chip op nanoschaal die fotoninteracties mogelijk maakt met een veel hogere efficiëntie dan enig ander systeem. De nieuwe methode, gerapporteerd als een memorandum in het nummer van 18 september van optiek , werkt op zeer lage energieniveaus, wat suggereert dat het kan worden geoptimaliseerd om te werken op het niveau van individuele fotonen - de heilige graal voor kwantumcomputers bij kamertemperatuur en veilige kwantumcommunicatie.

"We verleggen de grenzen van de natuurkunde en optische engineering om kwantum- en volledig optische signaalverwerking dichter bij de realiteit te brengen, " zei Huang.

Om deze voorsprong te bereiken, Huangs team vuurde een laserstraal af in een racebaanvormige microholte die in een strook kristal was uitgehouwen. Terwijl het laserlicht rond de racebaan kaatst, zijn opgesloten fotonen interageren met elkaar, het produceren van een harmonische resonantie die ervoor zorgt dat een deel van het circulerende licht van golflengte verandert.

Dat is niet een geheel nieuwe truc, maar Huang en collega's, waaronder afgestudeerde student Jiayang Chen en senior onderzoekswetenschapper Yong Meng Sua, de efficiëntie drastisch verhoogd door een chip van lithiumniobaat op de isolator te gebruiken, een materiaal dat op een unieke manier met licht omgaat. In tegenstelling tot silicium, lithiumniobaat is moeilijk chemisch te etsen met gewone reactieve gassen. Dus, het team van Stevens gebruikte een ionenfrees, in wezen een nanozandstraalmachine, om een ​​kleine racebaan te etsen van ongeveer een honderdste van de breedte van een mensenhaar.

Voordat u de racebaanstructuur definieert, het team moest elektrische hoogspanningspulsen toepassen om zorgvuldig gekalibreerde gebieden met afwisselende polariteit te creëren, of periodiek polijsten, die de manier aanpassen waarop fotonen over het circuit bewegen, de kans op interactie met elkaar vergroten.

Chen legde uit dat om zowel de racebaan op de chip te etsen als de manier waarop fotonen eromheen bewegen aan te passen, vereist tientallen delicate nanofabricagestappen, elk vereist nanometerprecisie. "Voor zover wij weten, we zijn een van de eerste groepen die al deze nanofabricagestappen onder de knie hebben om dit systeem te bouwen - daarom konden we dit resultaat als eerste krijgen."

Vooruit gaan, Huang en zijn team streven ernaar om het vermogen van de kristallen racebaan om licht op te sluiten en te recirculeren, te vergroten. bekend als de Q-factor. Het team heeft al manieren gevonden om hun Q-factor met minstens een factor 10 te verhogen, maar elk niveau hoger maakt het systeem gevoeliger voor onmerkbare temperatuurschommelingen - enkele duizenden graden - en vereist een zorgvuldige afstemming.

Nog altijd, het Stevens-team zegt dat ze een systeem naderen dat in staat is om op betrouwbare wijze interacties te genereren op het niveau van één foton, een doorbraak die de creatie van veel krachtige kwantumcomputercomponenten mogelijk zou maken, zoals fotonica logische poorten en verstrengelingsbronnen, die langs een circuit, kan tegelijkertijd meerdere oplossingen voor hetzelfde probleem bedenken, mogelijk waardoor berekeningen die jaren in beslag kunnen nemen, in seconden worden opgelost.

We kunnen nog een tijdje verwijderd zijn van dat punt, Chen zei, maar voor kwantumwetenschappers zal de reis spannend zijn. "Het is de heilige graal, " zei Chen, hoofdauteur van de krant. "En op weg naar de heilige graal, we realiseren ons veel natuurkunde die nog niemand eerder heeft gedaan."