Een baanbrekend onderzoek heeft geavanceerde nano-optomechanische holtes geïntroduceerd, die de weg vrijmaken voor efficiëntere kwantumnetwerken en verbeterde kwantumcomputer- en communicatietechnologieën. Het vermogen om op coherente wijze informatie te verzenden in banden van het elektromagnetische spectrum, van microgolven tot infrarood, is van cruciaal belang voor de ontwikkeling van geavanceerde kwantumnetwerken voor computers en communicatie.
Onderzoekers van de Staatsuniversiteit van Campinas (UNICAMP) in Brazilië hebben, in samenwerking met collega's van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Zürich (ETHZurich) en de Technische Universiteit Delft (TU Delft) in Nederland, een onderzoek uitgevoerd dat zich richtte op het gebruik van nano-optomechanische holtes in dit opzicht. Deze resonatoren op nanoschaal vergemakkelijken de interactie tussen hoogfrequente mechanische trillingen en infrarood licht bij golflengten die in de telecommunicatie-industrie worden gebruikt.
Een artikel over dit onderzoek verscheen onlangs in het tijdschrift Nature Communications.
Het overbruggen van de kloof tussen supergeleidende circuits en optische vezels
"Nanomechanische resonatoren vormen een brug tussen supergeleidende circuits en optische vezels. Supergeleidende circuits zijn momenteel een van de meest veelbelovende kwantumcomputertechnologieën, terwijl optische vezels vaak worden gebruikt als langeafstandszenders van informatie met weinig ruis en zonder signaalverlies", zegt Thiago Alegre, professor aan het Gleb-Vatakin Institute of Physics (IFGW-UNICAMP) en de laatste auteur van het artikel.
Een van de belangrijkste innovaties van dit onderzoek is de introductie van dissipatieve optomechanica, zei Allegre. Traditionele optomechanische apparaten vertrouwen op puur dispersieve interacties, waarbij alleen fotonen die zich in de holte bevinden effectief kunnen worden verspreid. Bij dissipatieve optomechanica kunnen fotonen rechtstreeks van de golfgeleider naar de resonator worden verstrooid.
Voorafgaand aan deze studie waren dissipatieve optomechanische interacties alleen aangetoond bij lage mechanische frequenties, waardoor belangrijke toepassingen zoals kwantumtoestandsoverdracht tussen de foton (optische) en fonon (mechanische) domeinen werden uitgesloten. Deze studie is de eerste die aantoont dat een dissipatief optomechanisch systeem werkt op mechanische frequenties die de optische lijnbreedte overschrijden.
"We zijn erin geslaagd de mechanische frequentie met twee ordes van grootte te verhogen en de opto-mechanische koppelingssnelheid met een factor tien te verhogen. Dit biedt veelbelovende perspectieven voor de ontwikkeling van efficiëntere apparaten", aldus Allegre.
De apparaten worden vervaardigd in samenwerking met de Technische Universiteit Delft en zijn ontworpen met behulp van bewezen technologieën uit de halfgeleiderindustrie. Nano-siliciumbundels hangen in de lucht en kunnen vrij trillen, waardoor infrarood licht en mechanische trillingen tegelijkertijd worden beperkt. Lateraal geplaatste golfgeleiders zorgen ervoor dat de vezel zich aan de holte kan koppelen, waardoor dissipatieve koppeling ontstaat, een sleutelelement van de resultaten die de onderzoekers hebben aangetoond.
Dit onderzoek biedt nieuwe mogelijkheden voor de constructie van quantumnetwerken. Naast deze directe toepassing legt het ook de basis voor toekomstig fundamenteel onderzoek. "We hopen mechanische modi individueel te kunnen manipuleren en optische niet-lineariteiten in optomechanische apparaten te verminderen", aldus Allegre.
Referenties "Dissipatieve optomechanica in hoogfrequente nanomechanische resonatoren" door André G. Primo, Pedro V. Pinho, Rodrigo Benevides, Simon Gröblacher, Gustavo S. Wiederhecker en Thiago P. Mayer Alegre, 18 september 2023, "Nature Communications".
DOI:10.1038/s41467-023-41127-7
Samengestelde bron: ScitechDaily