Nieuwe verbindingen maken quantumnetwerken over lange afstanden mogelijk
Quantumwetenschappers van de Campinas Universiteit in Brazilië en de Technische Universiteit Delft hebben een optomechanisch systeem ontwikkeld dat gebruik maakt van dissipatieve interacties voor coherente omzetting tussen microgolf mechanische prikkelingen en optische signalen. De mogelijkheid om informatie op een quantumcoherente manier te verzenden is de sleutel tot de ontwikkeling van grootschalige quantumnetwerken. Zulke netwerken zijn essentieel voor computer- en communicatietechnologie. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.
De sleutel tot het succes van de onderzoekers zit in het gebruik van optomechanische holtes op de schaal van nanometers. Deze kleine systemen maken de interactie mogelijk tussen hoogfrequente mechanische trillingen en infrarood licht op golflengten die veel worden gebruikt in de telecommunicatie-industrie, waardoor de weg wordt vrijgemaakt om radicaal verschillende frequentiedomeinen met elkaar te verbinden. Dit is bijzonder belangrijk om quantumcomputers met elkaar te verbinden in langeafstandsnetwerken. Optische vezels maken het verzenden van informatie in de vorm van fotonen over lange afstanden mogelijk met weinig ruis en signaalverlies.
Hoogfrequente nanomechanische resonatoren
Een van de centrale innovaties van deze studie is de introductie van dissipatieve optomechanica. Optomechanische resonatoren zijn waar kleine trillingen in het quantumcircuit, fononen genaamd, hun informatie overbrengen over fotonen die langs optische golfgeleiders kunnen reizen. Terwijl traditionele optomechanische apparaten afhankelijk zijn van puur dispersieve interacties, hebben de onderzoekers aangetoond dat een dissipatieve benadering, waarbij fotonen rechtstreeks van een golfgeleider naar een resonator worden verstrooid, meer controle biedt over de akoestisch-optische interacties.
Doorbreken van frequentiebarrières
Tot nu toe waren dissipatieve optomechanische interacties alleen aangetoond voor mechanische frequenties die te laag zijn om te worden gebruikt voor optische transmissie van quantumsignalen over lange afstanden. Door twee zorgvuldig afgestemde resonatoren die net niet synchroon met elkaar staan te combineren en aan een optische golfgeleider te koppelen, slaagden de onderzoekers erin dit dissipatieve frequentieregime met twee ordes van grootte te verhogen, terwijl ze ook de dissipatieve optomechanische koppelingsfactor vertienvoudigden vergeleken met eerdere pogingen. Deze prestaties vertegenwoordigen een aanzienlijke vooruitgang op het gebied van de optomechanica en openen deuren voor de ontwikkeling van nog effectievere koppelingen.
Volledig nieuw
Het door de onderzoekers ontwikkelde golfgeleider-resonatorverstrooiingsproces is volledig nieuw. Het team, waartoe ook Simon Gröblacher van de afdeling Quantum Nanoscience behoort, verwacht dat het uiteindelijk kan worden gebruikt voor het individueel manipuleren van mechanische toestanden en het tegengaan van ongewenste optische niet-lineariteiten en absorptie.
Meer informatie
Dissipative optomechanics in high-frequency nanomechanical resonators, A.G. Primo, P.V. Pinho, R. Benevides, S. Gröblacher, G.S. Wiederhecker, and T.P. Mayer Alegre. Nat. Commun. 14, 5793 (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-41127-7
