Новое наноустройство меняет цвет светового сигнала на уровне одиночных фотонов

Ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) уже разработали миниатюрную версию преобразователя частоты, используя технологию, аналогичную той, которая используется для создания компьютерных чипов.

Крошечное устройство, способное помочь повысить безопасность и увеличить расстояние, на котором работают квантовые системы связи следующего поколения, может быть адаптировано для широкого спектра применений, обеспечивая простую интеграцию с другими элементами обработки информации и может массового производиться.

Новый наноразмерный преобразователь оптической частоты эффективно преобразует фотоны с одной частоты на другую, потребляя лишь небольшое количество энергии и при добавлении очень низкого уровня шума, а именно фонового света, не связанного с входным сигналом.

Преобразователи частоты имеют важное значение для решения двух проблем. Частоты, на которых квантовые системы оптимально генерируют и хранят информацию, как правило, значительно выше, чем частоты, необходимые для передачи этой информации через километр расстояния в оптических волокнах. Преобразование фотонов между этими частотами требует сдвига сотен терагерц (один терагерц – триллион волновых циклов в секунду).

Гораздо меньшее, но по-прежнему критическое, частотное рассогласование возникает, когда две квантовые системы, которые должны быть идентичными, имеют небольшие вариации в форме и композиции. Эти изменения заставляют системы генерировать фотоны, незначительно отличающиеся по частоте, вместо того, чтобы быть точными копиями, которые могут потребовать квантовую сеть связи.

Новый преобразователь частоты фотонов, пример нанофотонной техники, решает оба вопроса, пишут Цин Ли (Qing Li), Марсело Даванцо (Marcelo Davanço) и Картик Сринивасан (Karthik Srinivasan) в Nature Photonics.

Ключевой компонент чип-интегрированного устройства представляет собой миниатюрный кольцеобразный резонатор около 80 мкм в диаметре (чуть меньше, чем ширина человеческого волоса) и несколько десятых долей микрометра толщиной. Форма и размеры кольца, который выполнен из нитрида кремния, выбраны для повышения собственных свойств материала в преобразовании света из одной частоты в другую. Кольцевой резонатор приводится в движение с помощью двух лазеров накачки, каждый из которых работает на отдельной частоте. В схеме, известной как четырехволновые смешение когерентного рассеяния (рассеяние Брэгга), фотон заставляет кольцо сдвигается по частоте на величину, равную разнице в частотах двух лазеров накачки.