Het vermogen om informatie op coherente wijze te verzenden in de band van het elektromagnetische spectrum, van microgolf tot infrarood, is van cruciaal belang voor de ontwikkeling van de geavanceerde kwantumnetwerken die worden gebruikt in computers en communicatie.

Een onderzoek uitgevoerd door onderzoekers van de Staatsuniversiteit van Campinas (UNICAMP) in Brazilië, in samenwerking met collega's van ETH Zürich in Zwitserland en de TU Delft in Nederland, richtte zich op het gebruik van nanometrische optomechanische holtes voor dit doel. Deze resonatoren op nanoschaal bevorderen de interactie tussen hoogfrequente mechanische trillingen en infrarood licht op golflengten die door de telecommunicatie-industrie worden gebruikt.

Een artikel over het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

"Nanomechanische resonatoren fungeren als bruggen tussen supergeleidende circuits en optische vezels. Supergeleidende circuits behoren momenteel tot de meest veelbelovende technologieën voor kwantumcomputers, terwijl optische vezels routinematig worden gebruikt als langeafstandszenders van informatie met weinig ruis en geen signaalverlies", zegt Thiago. Alegre, professor aan het Gleb Wataghin Institute of Physics (IFGW-UNICAMP) en laatste auteur van het artikel.

Volgens Alegre was een van de belangrijkste innovaties in het onderzoek de introductie van dissipatieve optomechanica. Traditionele optomechanische apparaten vertrouwen op puur dispersieve interactie, waarbij alleen fotonen die in de holte zijn opgesloten, efficiënt worden verspreid. Bij dissipatieve optomechanica kunnen fotonen rechtstreeks van de golfgeleider naar de resonator worden verstrooid. "Opto-akoestische interactie kan daardoor beter worden gecontroleerd", zei hij.

Voorafgaand aan deze studie was dissipatieve optomechanische interactie alleen aangetoond bij lage mechanische frequenties, waardoor belangrijke toepassingen zoals kwantumtoestandsoverdracht tussen de fotonische (optische) en fononische (mechanische) domeinen werden uitgesloten. De studie demonstreerde het eerste dissipatieve optomechanische systeem dat werkte in een regime waarbij de mechanische frequentie de optische lijnbreedte overschreed.

"We zijn erin geslaagd de mechanische frequentie met twee ordes van grootte te verhogen en hebben een tienvoudige stijging van de optomechanische koppelingssnelheid bereikt. Dit biedt veelbelovende perspectieven voor de ontwikkeling van nog effectievere apparaten", aldus Alegre.

Kwantumnetwerken

De apparaten zijn vervaardigd in samenwerking met de TU Delft en ontworpen om technologieën te gebruiken die goed ingeburgerd zijn in de halfgeleiderindustrie. Nanometrische siliciumbundels waren opgehangen en vrij om te trillen, zodat infrarood licht en mechanische trillingen tegelijkertijd werden beperkt. Een zijdelings geplaatste golfgeleider die was gepositioneerd om de koppeling van de optische vezel aan de holte mogelijk te maken, gaf aanleiding tot dissipatieve koppeling, het belangrijkste ingrediënt van de door de onderzoekers gepresenteerde resultaten.

De studie biedt nieuwe mogelijkheden voor de constructie van kwantumnetwerken. Naast deze onmiddellijke toepassing legt het een basis voor toekomstig fundamenteel onderzoek. "We verwachten dat we mechanische modi individueel kunnen manipuleren en optische niet-lineariteiten in optomechanische apparaten kunnen verminderen", aldus Alegre.

Meer informatie: André G. Primo et al, Dissipatieve optomechanica in hoogfrequente nanomechanische resonatoren, Natuurcommunicatie (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41127-7

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Geleverd door FAPESP