Изменение цвета одиночных фотонов с помощью встроенного фазового модулятора. Предоставлено: Лаборатория Лонкара/Гарвардский университет SEAS.

Оптические фотоны являются идеальными носителями квантовой информации. Но для совместной работы в квантовом компьютере или сети они должны иметь одинаковый цвет — или частоту — и пропускную способность. Изменение частоты фотона требует изменения его энергии, что особенно сложно для интегрированных фотонных чипов.

Недавно исследователи из Гарвардской школы инженерии 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 журнале Light: Science & Applications.

Преобразование фотона из одного цвета в другой обычно осуществляется путем отправки фотона в кристалл, сквозь который светит мощный лазер, — процесс, что имеет тенденцию быть неэффективным и шумным. 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 трудно интегрировать в чип.

Один материал может идеально подходить для такого применения: тонкопленочный ниобат лития.

«В нашей работе мы приняли новую конструкцию модулятора на тонкопленочном ниобате лития, которая значительно улучшила характеристики устройства», — сказал Марко Лончар, профессор электротехники Тяньцай Линь в SEAS и старший автор исследования. «С помощью этого встроенного модулятора мы достигли рекордно высокого терагерцового смещения частоты одиночных фотонов».

Команда также использовала тот же модулятор в качестве «линзы времени» — увеличительного стекла, которое искривляет свет во времени, а не в пространстве, — чтобы изменить спектральную форму фотона с толстого на тощий.

«Наше устройство намного компактнее и энергоэффективнее, чем традиционные массовые устройства», — сказал Ди Чжу, первый автор статьи. «Его можно интегрировать с широким спектром классических и квантовых устройств на одном чипе, чтобы реализовать более сложное квантовое управление светом».

Ди — бывший научный сотрудник SEAS, а в настоящее время — научный сотрудник Агентства по науке, исследованиям и технологиям (A*STAR) в Сингапуре.

Далее команда планирует использовать устройство для управления частотой и пропускной способностью квантовых излучателей для приложений в квантовых сетях.

Исследование было результатом сотрудничества Гарварда, Массачусетского технологического института, HyperLight и A*STAR.

В соавторстве с Changchen Chen, Mengjie Yu, Linbo Shao, Yaowen Hu, CJ Xin, Matthew Yeh, Soumya Ghosh, Lingyan He, Christian Reimer, Neil Sinclair, Franco NC Wong и Mian Zhang.