納米光子頻率轉換器的假彩色掃描電子顯微照片，該轉換器包含一個環(huán)形諧振器(藍色陰影部分)，用波導(紅色部分)將光注入到環(huán)形諧振器中。輸入信號用紫色箭頭表示，通過采用兩個泵浦激光器(亮紅色和暗紅色箭頭)轉換為新的頻率(藍色箭頭)。
將單個光子從一個顏色或頻率轉換到另一個顏色或頻率是量子通信中的一個重要工具，它利用光子(光的粒子)的亞原子特性之間的微妙關系來安全地存儲和傳遞信息。國家標準與技術研究所的科學家們現(xiàn)在使用類似于制造計算機芯片的技術已經(jīng)開發(fā)出一種小型化的頻率轉換器。
這個微小的器件，將有助于提高安全性和增加下一代量子通信系統(tǒng)的工作距離，可以進行調整使其適用于各種各樣的用途，也使其易于與其他信息處理元件的集成，并且可以大規(guī)模生產(chǎn)。
這個新的納米尺度的光頻轉換器有效地將光子從一個頻率轉換到另一個頻率同時只消耗少量的功率和增加一個非常低的噪音水平，即背景光與輸入信號不相關。
頻率轉換器是解決兩個問題的關鍵。量子系統(tǒng)生成和存儲信息的最佳頻率通常遠遠高于在光纖中將這些信息傳輸公里以上的距離時所需的頻率。在這些頻率之間轉換光子需要進行幾百個太赫茲的頻移(一太赫茲等于每秒一萬億個波周期)。
當兩個本來打算是完全一樣的量子系統(tǒng)的形狀和組成具有一個小的變化時，一個更小但仍然很關鍵的頻率失配就出現(xiàn)了。這些變化導致系統(tǒng)產(chǎn)生的光子在頻率上會有輕微的不同而不是量子通信網(wǎng)絡可能需要的精確復制。
這個新的光子頻率轉換器，作為一個納米光子工程的實例，同時解決了這兩個問題，QingLi, Marcelo Davan?o和Kartik Srinivasan在《NaturePhotonics》雜志上報道說。該芯片集成裝置的關鍵部件是一個微小的環(huán)形諧振腔，其具有約80微米的直徑(略小于人類頭發(fā)的寬度)和零點幾微米的厚度。這個由氮化硅制成的環(huán)的形狀和尺寸被進行了優(yōu)化，以提高材料將光從一個頻率轉換到另一個頻率的固有特性。這個環(huán)形諧振腔由兩個泵浦激光器驅動，每一個激光器工作在獨立的頻率上。在一個被稱為四波混頻布拉格散射的體系中，一個進入該環(huán)型諧振器的光子的頻率會有一個變化，其變化的量等于這兩個泵浦激光器的頻率差。
就像在賽道上騎車一樣，入射光在從諧振器里面出來之前已經(jīng)環(huán)行了數(shù)百次，這極大地提高了設備在低功率和低背景噪聲下轉換光子頻率的能力。與以往的實驗中需要用幾瓦的功率不同，該系統(tǒng)僅消耗約百分之幾瓦的功率。更重要的是，增加的噪音的量足夠低，從而可以用在未來使用單光子源的實驗中。
雖然其他的技術已經(jīng)被應用到頻率轉換上，“納米光子技術也有它的好處，它有可能使設備更小，更容易定制，更低的功耗，和兼容批量制造技術，”Srinivasan說。“我們的工作是第一個適合這個艱巨的量子頻率轉換任務的納米光子技術的示范。”
這項工作是由NIST納米科學與技術中心的研究人員完成的。
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