納米光子頻率轉(zhuǎn)換器的假彩色掃描電子顯微照片，該轉(zhuǎn)換器包含一個(gè)環(huán)形諧振器(藍(lán)色陰影部分)，用波導(dǎo)(紅色部分)將光注入到環(huán)形諧振器中。輸入信號(hào)用紫色箭頭表示，通過采用兩個(gè)泵浦激光器(亮紅色和暗紅色箭頭)轉(zhuǎn)換為新的頻率(藍(lán)色箭頭)。
將單個(gè)光子從一個(gè)顏色或頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)顏色或頻率是量子通信中的一個(gè)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(guān)系來安全地存儲(chǔ)和傳遞信息。國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的科學(xué)家們現(xiàn)在使用類似于制造計(jì)算機(jī)芯片的技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出一種小型化的頻率轉(zhuǎn)換器。
這個(gè)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(jìn)行調(diào)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(gè)新的納米尺度的光頻轉(zhuǎn)換器有效地將光子從一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻率同時(shí)只消耗少量的功率和增加一個(gè)非常低的噪音水平，即背景光與輸入信號(hào)不相關(guān)。
頻率轉(zhuǎn)換器是解決兩個(gè)問題的關(guān)鍵。量子系統(tǒng)生成和存儲(chǔ)信息的最佳頻率通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在光纖中將這些信息傳輸公里以上的距離時(shí)所需的頻率。在這些頻率之間轉(zhuǎn)換光子需要進(jìn)行幾百個(gè)太赫茲的頻移(一太赫茲等于每秒一萬億個(gè)波周期)。
當(dāng)兩個(gè)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(gè)小的變化時(shí)，一個(gè)更小但仍然很關(guān)鍵的頻率失配就出現(xiàn)了。這些變化導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生的光子在頻率上會(huì)有輕微的不同而不是量子通信網(wǎng)絡(luò)可能需要的精確復(fù)制。
這個(gè)新的光子頻率轉(zhuǎn)換器，作為一個(gè)納米光子工程的實(shí)例，同時(shí)解決了這兩個(gè)問題，QingLi, Marcelo Davan?o和Kartik Srinivasan在《NaturePhotonics》雜志上報(bào)道說。該芯片集成裝置的關(guān)鍵部件是一個(gè)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(diǎn)幾微米的厚度。這個(gè)由氮化硅制成的環(huán)的形狀和尺寸被進(jìn)行了優(yōu)化，以提高材料將光從一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻率的固有特性。這個(gè)環(huán)形諧振腔由兩個(gè)泵浦激光器驅(qū)動(dòng)，每一個(gè)激光器工作在獨(dú)立的頻率上。在一個(gè)被稱為四波混頻布拉格散射的體系中，一個(gè)進(jìn)入該環(huán)型諧振器的光子的頻率會(huì)有一個(gè)變化，其變化的量等于這兩個(gè)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(shè)備在低功率和低背景噪聲下轉(zhuǎn)換光子頻率的能力。與以往的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中。
雖然其他的技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到頻率轉(zhuǎn)換上，“納米光子技術(shù)也有它的好處，它有可能使設(shè)備更小，更容易定制，更低的功耗，和兼容批量制造技術(shù)，”Srinivasan說。“我們的工作是第一個(gè)適合這個(gè)艱巨的量子頻率轉(zhuǎn)換任務(wù)的納米光子技術(shù)的示范。”
這項(xiàng)工作是由NIST納米科學(xué)與技術(shù)中心的研究人員完成的。
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