Группа физиков из Германии и Испании сообщила об открытии способа высокоточного управления светом с помощью звука. Акустическая волна позволяет переключать отдельные фотоны на чипе между двумя выходами с гигагерцевыми частотами. Открытие пригодится для создания акустических квантовых систем.
Ученые создали чип, оснащенный крошечными волноводами — «проводящими дорожками» для квантов света, волноводами. Они примерно в 30 раз тоньше человеческого волоса. В качестве источника света выступал квантовые точки, встроенные в чип.
Эти квантовые точки представляют собой островки размером в несколько нанометров внутри волноводов, которые излучают свет в виде отдельных фотонов. Квантовые точки встроены в наш чип, и нам не нужно сначала генерировать отдельные фотоны с помощью другого источника и связывать их с волноводами.
Хуберт Креннер, профессор экспериментальной физики Вестфальского университета имени Вильгельма и соавтор исследования
При работе устройства сфокусированный лазерный луч использует квантовую точку для генерации одиночных фотонов в фотонном волноводе, изготовленном на монокристаллической пленке арсенида галлия (GaAs) и арсенида алюминия-галлия (Al0,2Ga0,8As). Два гребенчатых электрода генерируют нанозвуковые волны, вызывающие искажение кристаллической решетки волноводов. Левый преобразователь производит звуковую волну, которая регулирует цвет испускаемых фотонов на гигагерцовых частотах. Правый акустический преобразователь генерирует еще одну нанозвуковую волну, с помощью которой фотоны разделяются по цвету.
Схема устройства (а), генерации одиночных фотонов (b), управления одиночными фотонами (c) и измерения повернутого состояния суперпозиции путем сбора и обнаружения выходных сигналов (d). Изображение: Dominik D. Bühler et al., Nature Communications
Исследователи отмечают, что в серии экспериментов им удалось генерировать отдельные фотоны на чипе размером с ноготь большого пальца, а затем использовать звуковые волны для управления ими с недостижимой ранее точностью. Подобные механизмы уже использовали для «классического лазерного излучения», но впервые с их помощью управляли отдельными квантами света, добавляют ученые.
Художественная иллюстрация чипа. Сфокусированный лазерный луч (слева, синий) использует квантовую точку для генерации одиночных фотонов в фотонном волноводе (красный), изготовленном на монокристаллической пленке арсенида галлия (GaAs) и арсенида алюминия-галлия (Al0,2Ga0,8As). Два гребенчатых электрода генерируют нанозвуковые волны, вызывающие искажение кристаллической решетки волноводов. Левый преобразователь производит звуковую волну, которая регулирует цвет испускаемых фотонов на гигагерцовых частотах. Два волновода соединены в двух точках многомодовыми интерференционными ответвителями (MMI). Правый звуковой преобразователь генерирует еще одну нанозвуковую волну, с помощью которой фотоны разделяются по цвету. Изображение: Dominik D. Bühler, Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Световые и звуковые волны составляют технологическую основу современной коммуникации. Оптические волокна на основе лазерного излучения обеспечивают функционирование глобальных сетей. А чипы для нанозвуковых волн используются для беспроводной передачи данных на гигагерцовых частотах между смартфонами, планшетами или ноутбуками.
Ученые считают, что результаты работы открывают путь к гибридным квантовым технологиям, поскольку они объединяют три разные системы: квантовые источники света в виде квантовых точек, генерируемые кванты света, и фононы, квантовые частицы звуковой волны. Физики продолжают работать над расширением возможностей чипа. Например, с его помощью можно будет сортировать несколько фотонов разных цветов между четырьмя или более выходами.
