«Фотон в микроволновке»: создание контролируемой фотонной двухуровневой системы

«Счастье можно найти даже в тёмные времена, если не забывать обращаться к свету». Эти слова сказал вымышленный персонаж, который довольно далек от науки. Но в нашем мире ученые частенько обращаются к свету в поисках своего истинного счастья — новых открытий. А из чего, так сказать, состоит свет? Из фотонов. Эта элементарная частица стала основой для множества открытий, технологий и исследований. Но до сего дня полностью ее свойства никому точно не известны. Но это не мешает ученым продолжать использовать фотоны в своих трудах, практических или теоретических. Сегодня мы с вами будем знакомиться с исследованием фотонной системы, которая по словам ученых позволит заполучить полный контроль над энергией и фазой фотонов. Для этого необходимо использовать свойства атомных и молекулярных систем, где возможен контроль над состоянием электронов посредством внешнего электромагнитного поля. Как, зачем и почему — узнаем из доклада исследователей. Поехали.

Основа исследования

Важным фактором в когерентном электрооптическом контроле фотонной двухуровневой системы является продолжительность существования фотона, которая во всех энергетических состояниях должна быть значительно больше, чем требуется для простого перехода системы из одного состояния в другое. Дабы достичь этого нужно использовать электрооптические методы контроля. Однако есть ряд трудностей. Большие оптические системы с оптическими усилителями могут имитировать классическую двухуровневую систему, однако квантовая когерентность фотонов в процессе работы просто уничтожается. Если же использовать традиционные интегрированные фотонные платформы, то они не могут обеспечить одновременно длительное существование фотона и быструю модуляцию. Посему тоже не подходят для целей ученых. А вот резонаторы на базе диоксида кремния (SiO2) или нитрида кремния (Si3N4) можно контролировать исключительно электрически посредством термического эффекта. Быструю электрооптическую модуляцию обеспечивают электрически активные фотонные платформы на базе кремния, графена и различных полимеров. Это явное преимущество, однако срок жизни фотонов в таких системах крайне невелик, если сравнивать с электрически пассивными платформами.

И, как это часто бывает, когда нет существующего рабочего и эффективного чего-либо, ученые создают свой вариант. В данном случае это фотонная двухуровневая система, которую можно контролировать посредством гигагерцовых микроволновых сигналов.

Данная система представляет из себя устройство с двумя микро-кольцами из ниобата лития (снимок с), диаметры которых составляет 80 мкм. Важно отметить, что расстояние между кольцами крайне мало, что видно на снимке растрового электронного микроскопа (а).

Снимки устройства

На изображении выше b показано поперечное сечение профиля оптической моды в кольцевом резонаторе. А вот d это снимок массива вышеописанных устройств на одном чипе.

Схема экспериментальной установки

Испытываемое устройство оптически накачивается настраиваемым телекоммуникационным лазером (длина волны 1630 нм). Свет, проходя через электрооптический модулятор (EO Mod) и регуляторы поляризации (PLC), попадает на чип по линзованному волокну. Исходящий оптический сигнал по волокну отправляется в 12 ГГц-вый фотодетектор. После этого преобразованный электрический сигнал направляется в осциллограф. Микроволновые контролирующие сигналы генерируются AWG (генератор сигналов произвольной формы), а потом усиливаются и направляются на устройство. Для контроля постоянного тока было использовано Т-образное смещение (Bias T).

Благодаря низким оптическим потерям и ко-интеграции микроволновых электродов ученым удалось достичь весьма внушительной полосы пропускания — > 30 ГГц, эффективности модуляции — 0.5 ГГц/В и продолжительности жизни фотона в 2 нс.

Изображение №1

Фотонная двухуровневая система реализована за счет пары идентичных и связанных друг с другом оптических микрокольцевых резонаторов (на изображении 1а это ?1=?2). Такая связь и образует своеобразную фотонную молекулу с двумя энергетическими уровнями: симметричная мода (S) и асимметричная мода (AS). А микроволновое поле взаимодействует с системой посредством сильного эффекта Поккельса*.

Эффект Поккельса* — появление двойного преломления света при воздействии постоянного или переменного электрического поля.

Подтверждением двух энергетических уровней является измерение оптической передачи (график 1с).

Сами оптические моды разделены следующим образом: 2? = 2? х 7 ГГц. А спектральная линия резонатора для каждой — ? = 2? х 96 МГц, что соответствует уровню добротности Q = 1.9 х 106. Эти показатели еще раз подтверждают стабильность полученной фотонной двухуровневой системы.

Основным инструментом контроля системы является когерентное микроволновое поле с непрерывной волной. Ученые указывают на то, что такой «формат» контроля схож с атомными двухуровневыми системами. Но есть важное отличие: в фотонной системе каждый из двух уровней может заполнять более, чем 1 фотон.

Когда микроволновая частота совпадает с энергетической разницей двух уровней, возникает стабильная связь между двумя модами (S и AS), которые изначально были раздельны. Это приводит к возникновению расщепления уровней энергии, что иначе называется эффектом Аутлера-Таунса (изображение 2а).

Изображение №2

В испытываемой системе есть возможность контролировать амплитуду микроволновых сигналов, что позволяет устанавливать частоту расщепления на уровне в несколько гигагерц (2b). Если же микроволновая частота сильно расстроена от частоты перехода, возникает дисперсионный эффект, сравнимый с переменным эффектом Штарка в атомных системах (2с). Этот эффект позволяет контролировать степень силы связи между энергетическими уровнями испытываемой фотонной молекулы.

Изображение №3

На верхних двух изображениях показана когерентная спектральная динамика фотонной молекулы, точнее измерения осцилляции Раби при разном микроволновом воздействии на систему: 3а — данные, полученные опытным путем, а 3b — теоретические данные. Анализ данных показывает, что существует контроль над довольно широким диапазоном частот Раби.

На графике 3с показана осцилляция Раби при микроволновом воздействии 1.1 В с частотой 1.1 ГГц, что соответствует вещественной оси сферы Блоха. В свою очередь график 3d показывает осилиляторные сигналы на фотодетекторе, которые являются следствием интерференции Рэмси.

А теперь переходим к заключительным, но далеко не последним по важности, измерениям.

В эксперименте ученые решили применить унитарное преобразование частот для выполнения очень важной задачи любого процесса обработки оптических сигналов — хранение и извлечение фотонов по требованию.

Ученые отмечают, что при использовании статичного резонатора может замедлить процесс распространения фотонов, но такое замедление ограничено частотами резонатора, следовательно их нельзя контролировать.

А вот использование динамически модулированного резонатора не имеет таких недостатков. Для того чтобы получить контроль над записью фотонов на резонатор и считыванием фотонов с внешнего волновода необходимо изменять силу оптической связи до истечения срока жизни фотона в резонаторе.

Изображение №4

Для достижения этого было применено смещение постоянного тока в 15 В, что позволило переформатировать фотонную молекулу в пару «темная» и «светлая» моды. Светлая мода располагается в первом кольце (4а). Поскольку у нее все же есть доступ к входному оптическому волноводу, она именуется оптически светлой. Темная мода расположена во втором кольце и не связана с волноводом, посему и называется оптически темной. Однако доступ к темной моде можно получить, применив микроволновое излучение с частотой, совпадающей с разницей между двумя оптическими модами. Этот процесс приводит к формированию стойкой связи между этими модами (графики на 4b).

Применение микроволнового сигнала на светлой моде позволяет преобразовать ее в темную (4с). При отключении микроволнового сигнала фотоны остаются в темной моде, таким образом они отделяются от волновода. Проанализировав интенсивность полученных оптических импульсов в темной моде, получилось установить срок ее существования — 2 наносекунды, а это в 2 раза дольше. чем у светлой моды (4d).

Для детального ознакомления с исследованием рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

По словам ученых, данное исследование может стать полезным инструментом в дальнейшем изучении свойств фотонов и методов их применения в будущих технологиях передачи и хранения данных.

Подобные манипуляции с фотонами все еще сложны в реализации, хоть и обладают огромным потенциалом. Данную методику контролируемой фотонной двухуровневой (а в будущем и многоуровневой, по заявлениям исследователей) системы можно применить в совершенно новых фотонных вычислениях, квантовых компьютерах и топологической фотонике.

Несмотря на все сложности, ученые продолжают мечтать о высоких технологиях и делают все, чтобы эти мечты стали реальностью. Ведь ничто не совершенно в этом мире, а значит есть много-чего, что можно и нужно совершенствовать.

Источник: m.vk.com

Комментарии: