Beijing Institute of Quantum Information: gebruik van glasvezel-geïntegreerde frequentieconversie om kwantumverstrengelingsdistributie over 100 kilometer te bereiken
In de jaren zestig luidde de komst van laser een nieuw tijdperk van wetenschap en toepassing in. Van het scannen van supermarktcodes tot bijziendheidschirurgie: de traditionele laserfotonmanipulatietechnologie is al lang geïntegreerd in het dagelijks leven. In de afgelopen twintig jaar hebben wetenschappers met succes nieuwe lasers ontwikkeld die ‘fononen’ (gekwantiseerde energie-eenheden van mechanische trillingen) kunnen besturen. Verwacht wordt dat nauwkeurige controle van fononen meer mogelijkheden zal bieden voor de lasertechnologie, zoals het profiteren van unieke kwantumeigenschappen zoals verstrengelde toestanden.
Een onderzoeksteam van de Universiteit van Rochester en het Rochester Institute of Technology in de Verenigde Staten heeft onlangs een dual-mode gecomprimeerde fononlaser ontwikkeld die een hoge-precieze controle van fononen op nanometerschaal kan bereiken.
Het onderzoeksteam heeft een gerelateerd artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications, waarin gedetailleerd wordt beschreven hoe mechanische trillingsquanta (fononen) op nanoschaal een laser{0}}achtige coherente output kunnen behouden en tegelijkertijd thermische ruiscompressie kunnen worden bereikt via dubbele--moduskoppeling en niet-lineaire koeling, waardoor de fluctuaties van fononlasers aanzienlijk worden verminderd.
Professor Nick Vamivakas, een van de corresponderende auteurs van het artikel, en zijn medewerkers demonstreerden in 2019 voor het eerst de fononlaser. Ze gebruikten een optisch pincet om nanodeeltjes op te vangen en in een vacuüm te hangen, en bereikten een coherente oscillatie van fononen door hun mechanische oscillaties.
Om deze technologie echter bruikbaar te maken voor zeer-precieze metingen, moesten ze een belangrijke uitdaging overwinnen-ruis: de interferentie die de nauwkeurige metingen van signalen verstoort. Dit probleem doet zich voor bij zowel fotonen- als fononlasers.
"Laser lijkt met het blote oog een stabiele lichtbundel, maar in werkelijkheid zijn er een groot aantal fluctuaties die ruis in het meetproces kunnen introduceren." Nick Vamivakas legt uit: "We hebben effectieve onderdrukking van fononlaserfluctuaties bereikt door parametrische koppelingsmodulatie toe te passen op de twee oscillatiemodi in het ophangsysteem van het optische pincet, gecombineerd met niet-lineaire parameterkoeling."
Deze figuur toont het kernapparaat en het principe van het experiment. (a) illustreert het ophangsysteem voor optische pincetten en hoe je koppeling in twee- modi kunt bereiken door middel van modulatie; (b) verklaart het genereren van asymmetrische potentiële putten en het roterende koppelingsmechanisme; () presenteert visueel het fonon-down--conversieproces met de som van twee frequenties als de aandrijffrequentie via het energieniveaudiagram, wat de fysieke basis is voor het bereiken van dubbele- compressie.
De belangrijkste doorbraak van het onderzoeksteam is de realisatie van thermomechanische compressie met dubbele- modus: op de twee orthogonale trillingsmodi van x en y van gesuspendeerde silica nanodeeltjes (diameter 100 nm) in optische pincetten, wordt de som van de twee modusfrequenties gebruikt als de aandrijffrequentie voor koppelingsmodulatie. Tegelijkertijd wordt het systeem, gecombineerd met niet-lineaire parameterkoeling, gestabiliseerd, waardoor de inherente thermische ruis van de fononlaser direct wordt gecomprimeerd en verminderd.
Nick Vamivakas zei dat deze ruisonderdrukkingscapaciteit ervoor zorgt dat de nauwkeurigheid van de acceleratiemetingen van het systeem de traditionele fotonlaser- en radiofrequentiegolfmeettechnologieën overtreft.
