Новий фотонний чип для ізоляції світла може стати ключем до мініатюризації квантових пристроїв

Новий фотонний чип для ізоляції світла може стати ключем до мініатюризації квантових пристроїв
Вбудовані оптичні ізолятори, виготовлені з ніобату літію

Світло пропонує незамінний спосіб взаємодії з нашим Всесвітом. Воно може подорожувати на галактичні відстані і стикатися з нашої атмосферою, створюючи потік частинок, які розповідають історію минулих астрономічних подій. Тут, на Землі, управління світлом дозволяє нам відправляти дані з одного боку планети на інший.

З огляду на його широку корисність, не дивно, що світло відіграє вирішальну роль в реалізації програм квантової інформації 21 століття.

Наприклад, вчені використовують лазерне світло, щоб точно контролювати атоми, перетворюючи їх в надчутливі вимірювачі часу, прискорення і навіть сили тяжіння. В даний час така рання квантова технологія обмежена розміром – сучасні системи не помістяться на обідньому столі, не кажучи вже про мікросхеми. Для практичного використання вченим і інженерам необхідно миніатюризувати квантові пристрої, що вимагає переосмислення деяких компонентів для використання світла.

Тепер член IQUIST Гаурав Бал і його дослідницька група розробили просту і компактну фотонну схему, яка використовує звукові хвилі для стримування світла. Нове дослідження, опубліковане у випуску журналу Nature Photonics від 21 жовтня, демонструє потужний спосіб ізолювати або контролювати спрямованість світла. Вимірювання команди показують, що їх підхід до ізоляції в даний час перевершує всі попередні вбудовані альтернативи і оптимізований для сумісності з атомними датчиками.

«Атоми є ідеальним еталоном в будь-якій частині природи і забезпечують основу для багатьох квантових додатків», – сказав Бал, професор механічних наук та інженерії (MechSe) в Університеті Іллінойсу в Урбана-Шампейн. «Лазерам, які ми використовуємо для управління атомами, потрібні ізолятори, які блокують небажані віддзеркалення. Але до сих пір ізолятори, які добре працюють в великомасштабних експериментах, виявилося важко мініатюризувати».

Навіть за найсприятливіших обставинах світло важко контролювати – воно буде відображати, поглинати і заломлюватись при зустрічі з поверхнею.

Управління світлом в великих квантових пристроях зазвичай є складним завданням, для вирішення якого потрібно дуже багато дзеркал, лінз, волокон і багато чого іншого. Мініатюризація вимагає іншого підходу до багатьох з цих компонентів. За останні кілька років вчені та інженери домоглися значних успіхів в розробці різних світлорегулювальних елементів на мікрочіпах. Вони можуть виготовляти хвилеводи, які є каналами для перенесення світла, і навіть можуть змінювати його колір, використовуючи певні матеріали. Але змусити світло рухатися в одному напрямку, при цьому придушуючи небажані зворотні відображення, складно.

У типових експериментах кращий інструмент для досягнення односпрямованості – це магніти. Наприклад, майже у кожного лазера є магнітооптичний ізолятор, який дозволяє світлу виходити з лазера, але не дає йому рухатися назад, що може порушити роботу лазера. Хоча навіть лазери можна зменшити в розмірах, усадка звичайних ізоляторів проблематична з двох причин. По-перше, в компактних пристроях магнітні поля негативно впливають на прилеглі атоми. По-друге, навіть якби існував спосіб обійти це, матеріали, що знаходяться всередині ізолятора, не працюють так само добре на менших масштабах довжини на мікросхемі.

Команда Бала продемонструвала новий немагнітний ізолятор, який виявився простим по конструкції, використовує звичайні оптичні матеріали та легко адаптується для різних довжин хвиль світла.

«Ми хотіли розробити пристрій, який природним чином уникає втрат, і кращий спосіб зробити це – зробити так, щоб світло проходило через ніщо. Найпростіший елемент «нічого», який все ще може направляти фотони по контрольованому шляху, – це хвилевід, який представляє собою – дуже простий компонент в фотонних схемах», – сказав Бахлуй.

Повний фотонний ізолятор містить хвилевід і сусідній кільцевий резонатор, який виглядає як довгаста бігова доріжка. Зазвичай падаюче світло просто проходить з хвилеводу в резонатор незалежно від його напряму, тим самим блокуючи весь світловий потік. Але коли команда застосувала звукові хвилі до кільця, резонатор вловлював тільки світло, яке рухалося в зворотному напрямку через хвилевід. У прямому напрямку світло безперешкодно проходило через хвилевід, як ніби резонатора просто не було.

Вимірювання команди показали, що майже кожен фотон рухається через хвилевід в прямому напрямку, в той час як шанс пройти в зворотному напрямку становить лише один з десяти тисяч. Це означає, що конструкція знизила втрати або небажане поглинання світла майже до нуля, що було давньою проблемою з попередніми ізоляторами на кристалі. Дані показують, що нові пристрої демонструють рекордні показники по внутрікристальній ізоляції і працюють так само, як і більші магнітні пристрої. Крім того, цей підхід є гнучким і може використовуватися для кількох довжин хвиль без зміни вихідного матеріалу.

«Простота виготовлення є ключовою – з нашим підходом ви можете друкувати фотонні ізолятори, які добре працюють для будь-якої довжини хвилі, яка вам потрібна, на одному кристалі одночасно. Це просто неможливо з іншими підходами сьогодні», – сказав співавтор Огулкан Орсель.

Це може зробити новий дизайн корисним для інших додатків, таких як квантові обчислення, де паразитні неконтрольовані магнітні поля, а також небажане світло можуть знизити загальну продуктивність пристрою.

Залишити відповідь

*