Недавно исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) разработали интегрированный электрооптический модулятор, который может эффективно изменять частоту и полосу пропускания одиночных фотонов. Устройство может быть использовано для более продвинутых квантовых вычислений и квантовых сетей.

Исследование опубликовано в Свет: Наука и приложения.

Преобразование фотона из одного цвета в другой обычно осуществляется путем отправки фотона в кристалл с сильным лазерным излучением, проходящим через него, процесс, который, как правило, неэффективен и шумен. Фазовая модуляция, при которой колебания фотонной волны ускоряются или замедляются для изменения частоты фотона, предлагает более эффективный метод, но устройство, необходимое для такого процесса, электрооптический фазовый модулятор, оказалось сложным для интеграции на чипе.

Один материал может быть уникально подходящим для такого применения - тонкопленочный ниобат лития.

"В нашей работе мы применили новую конструкцию модулятора на основе тонкопленочного ниобата лития, что значительно улучшило производительность устройства", - сказал Марко Лончар, профессор электротехники Тяньцай Линь в SEAS и старший автор исследования. "С помощью этого встроенного модулятора мы добились рекордно высоких терагерцовых сдвигов частоты одиночных фотонов".

Команда также использовала тот же модулятор в качестве "временной линзы" - увеличительного стекла, которое искажает свет во времени, а не в пространстве, - чтобы изменить спектральную форму фотона с толстого на тощий.

"Наше устройство намного компактнее и энергоэффективнее традиционных объемных устройств", - сказал Ди Чжу, первый автор статьи. "Он может быть интегрирован с широким спектром классических и квантовых устройств на одном чипе для реализации более сложного квантового управления светом".

Ди - бывший аспирант SEAS, а в настоящее время является научным сотрудником Агентства по науке, исследованиям и технологиям (A*STAR) в Сингапуре.

Далее команда намерена использовать устройство для управления частотой и полосой пропускания квантовых излучателей для приложений в квантовых сетях.

Исследование проводилось в сотрудничестве между Гарвардом, Массачусетским технологическим институтом, HyperLight и A*STAR.

Соавторами статьи были Чанчен Чен, Менцзе Ю, Линбо Шао, Яовен Ху, Си Джей Синь, Мэтью Йе, Сумья Гош, Линьян Хе, Кристиан Реймер, Нил Синклер, Франко Н.К. Вонг и Миан Чжан.

Это исследование финансировалось Гарвардской квантовой инициативой (HQI), Исследовательским управлением армии / Агентством перспективных оборонных проектов (DARPA) (W911NF2010248), Управлением научных исследований ВВС (FA9550-20-1-01015 ), лазеры DARPA для универсальных микроскопических оптических систем (HR0011-20-C-0137), Министерство энергетики (DE-SC0020376), Национальный научный фонд (EEC-1941583), Исследовательская лаборатория ВВС (FA9550-21-1-0056 ), постдокторская стипендия HQI, Центральный исследовательский фонд A*STAR SERC (CRF) и Совет по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады (NSERC).