研究人员用纠缠光子创造了“超宽带”记录

罗彻斯特大学林强实验室的研究人员使用上图所示的薄膜纳米光子装置，产生了纠缠光子的记录“超宽带”带宽。在左上方，激光束进入周期性极化的铌酸锂薄膜波导(带状绿色和灰色)。纠缠光子(紫点和红点)产生的带宽超过800纳米。资料来源:Usman Javi和Michael Osadciw

当两个量子粒子连在一起时，即使相隔数百万英里，量子纠缠也会发生，阿尔伯特·爱因斯坦曾经称之为“幽灵般的远距离作用”。对一个粒子的任何观察都会影响到另一个粒子，就好像它们在互相交流一样。当这种纠缠涉及光子时，有趣的可能性就出现了，包括纠缠光子的频率，它的带宽是可以控制的。

罗彻斯特大学的研究人员利用这一现象，通过使用薄膜纳米光子器件，产生了令人难以置信的大带宽，他们在《物理评论快报》上描述了这一现象。

这一突破可能导致:

“这项工作代表了在纳米光子芯片上制造超宽带量子纠缠的重大飞跃，”电子与计算机工程教授林强说。“它展示了纳米技术在未来发展用于通信、计算和传感的量子设备方面的力量，”

在带宽和亮度之间没有更多的权衡

到目前为止，大多数用于产生光宽带纠缠的设备都是将大块晶体分割成小块，每个小块的光学性质略有变化，每个小块产生不同的光子对频率。然后把频率加在一起，得到一个更大的带宽。

“这是非常低效的，代价是降低光子的亮度和纯度，”该研究的主要作者、林的实验室博士生乌斯曼·贾维德(Usman Javid)说。在这些设备中，“总会在产生的光子对的带宽和亮度之间进行权衡，人们必须在两者之间做出选择。”我们用我们的色散工程技术完全避免了这种折衷:在创纪录的高亮度下获得创纪录的高带宽。”

林的实验室发明的铌酸锂薄膜纳米光子器件使用了一个两面都有电极的波导。根据Javid的说法，块状晶体的直径可以是毫米，而薄膜晶体的厚度只有600纳米——其横截面面积比块状晶体小一百万倍。这使得光的传播对波导的尺寸极其敏感。

事实上，即使是几个纳米的变化，也会引起通过它的光的相位和群速度的显著变化。因此，研究人员的薄膜装置可以精确控制带宽，使对产生过程是动量匹配的。“然后我们可以解决一个参数优化问题，以找到最大化带宽的几何形状，”Javid说。

贾维德说，该设备已准备好在实验中使用，但只能在实验室环境中使用。为了用于商业，需要一种更有效和更经济的制造工艺。他说，尽管铌酸锂是一种重要的轻质技术材料，但铌酸锂的制造“仍处于起步阶段，还需要一段时间才能成熟到具有经济意义”。

其他合作者包括电子与计算机工程系的凌景伟、李明晓、何阳以及光学研究所的Jeremy Staffa，他们都是研究生。杨鹤，博士后研究员。

当两个量子粒子相互连接时，即使相距数百万英里，也会发生量子纠缠——或者阿尔伯特·爱因斯坦曾经称之为“远距离的幽灵行动”。对一个粒子的任何观察都会影响另一个粒子，就好像它们在相互交流一样。当这种纠缠涉及光子时，就会出现有趣的可能性，包括纠缠光子的频率，其带宽是可以控制的。

罗切斯特大学的研究人员利用他们在《物理评论快报》中描述的薄膜纳米光子器件，利用这种现象产生了令人难以置信的大带宽。

这一突破可能导致：

提高了计量学和传感实验的灵敏度和分辨率，包括光谱学、非线性显微镜和量子光学相干断层扫描用于信息处理和通信的量子网络中信息的高维编码“这项工作代表了在纳米光子芯片上产生超宽带量子纠缠的重大飞跃，”电气和计算机工程教授强林说。“它展示了纳米技术在开发用于通信、计算和传感的未来量子设备方面的力量，”

无需在带宽和亮度之间进行权衡

迄今为止，用于产生宽带光纠缠的大多数设备都采用将块状晶体分成小部分，每个部分的光学特性略有不同，每个部分都产生不同频率的光子对。然后将这些频率加在一起以提供更大的带宽。

“这是非常低效的，代价是光子的亮度和纯度降低，”主要作者、博士生 Usman Javid 说。林实验室的学生。在这些设备中，“在生成的光子对的带宽和亮度之间总会有一个权衡，必须在两者之间做出选择。我们用我们的色散工程技术完全规避了这种权衡，以获得两者：一个创纪录的高带宽和创纪录的高亮度。”

由林的实验室创建的薄膜铌酸锂纳米光子器件使用两侧带有电极的单个波导。根据 Javid 的说法，块状器件的宽度可以达到几毫米，而薄膜器件的厚度为 600 纳米——其横截面面积比块状晶体小一百万多倍。这使得光的传播对波导的尺寸极为敏感。

事实上，即使是几纳米的变化也会导致通过它传播的光的相位和群速度发生显着变化。因此，研究人员的薄膜设备可以精确控制对生成过程进行动量匹配的带宽。“然后我们可以解决一个参数优化问题来找到最大化这个带宽的几何形状，”Javid 说。

Javid 说，该设备已准备好用于实验，但仅限于实验室环境。为了在商业上使用，需要更有效和更具成本效益的制造工艺。尽管铌酸锂是光基技术的重要材料，但铌酸锂的制造“仍处于起步阶段，需要一段时间才能成熟到具有经济意义，”他说。

其他合作者包括电气与计算机工程系的 Jingwei Ling、Mingxiao Li 和 Yang He，以及光学研究所的 Jeremy Staffa，他们都是研究生。杨鹤，博士后研究员。

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