منابع نور کوانتومی فوق‌العاده نازک

خلاصه خبر:

محققان دانشگاه ملی سنگاپور (NUS) کارایی تولید جفت فوتون های درهم تنیده را که برای فناوری های کوانتومی حیاتی است، به طور قابل توجهی بهبود بخشیده اند. این تیم با استفاده از برهمکنش‌های اکسیتونیک در کریستال‌های نوری غیرخطی، فرآیند تبدیل پایین پارامتری خودبه خودی (SPDC) را بهبود بخشید که معمولاً ناکارآمد است. این فعل و انفعالات برانگیخته، شامل بارهای مثبت و منفی با فاصله نزدیک، کارایی SPDC را افزایش می دهد، به ویژه زمانی که انرژی پرتو پمپ با فرکانس تحریک کریستال همسو می شود. این پیشرفت، که با استفاده از کریستال بسیار نازک NbOl2 نشان داده شد، می‌تواند مواد بسیار نازک را برای تولید فوتون‌های درهم‌تنیده قابل دوام کند. چنین موادی را می توان به راحتی در پلتفرم های کوانتومی فوتونیک ادغام کرد و راه را برای منابع نور کوانتومی پیشرفته و دستگاه های کوانتومی نسل بعدی هموار کرد.

توضیحات تکمیلی:

پژوهشگران دانشگاه ملی سنگاپور (NUS) در بهبود کارایی تولید جفت فوتون‌های درهم‌تنیده، که جزء کلیدی فناوری‌های کوانتومی است، پیشرفتی مهم کسب کرده‌اند. این تحقیقات که در مجله Physical Review Letters منتشر شده است، نشان می‌دهد که تشدیدهای اکسی‌تونیک و انتقالات بین اکسی‌تون‌ها در کریستال‌های غیرخطی می‌تواند به طور قابل‌توجهی فرآیند تبدیل پایین پارامتری خودبه خودی (SPDC) را که به طور معمول روشی ناکارآمد برای تولید فوتون‌های درهم‌تنیده است، تقویت کند.

SPDC به طور معمول شامل تابش یک پرتو پمپ بر روی کریستال‌های غیرخطی است که در آن فوتون‌های درهم‌تنیده تولید می‌شوند. تیم NUS به رهبری پروفسور سو یینگ کوک دریافتند که با استفاده از تعاملات اکسی‌تونیک—که بین بارهای منفی و مثبت نزدیک به هم (اکسی‌تون‌ها) درون کریستال رخ می‌دهد—کارایی SPDC می‌تواند به طور قابل‌توجهی افزایش یابد. این اثرات اکسی‌تونیک  به ویژه زمانی قوی هستند که انرژی پرتو پمپ با رزونانس اکسی‌تونیک کریستال همسو شود، که به طور قابل توجهی احتمال تولید جفت فوتون را افزایش می‌دهد.

پژوهشگران روی ماده NbOI2، یک ماده‌ی اپتیکی  لایه‌ای غیرخطی، تمرکز کردند و محاسبات کاملاً مکانیکی-کوانتومی را برای تحلیل پاسخ نوری غیرخطی انجام دادند. نتایج آنها نشان داد که کریستال‌های فوق‌نازک، که پیش‌تر به دلیل ناکارآمدی در SPDC نادیده گرفته می‌شدند، می‌توانند به دلیل تعاملات اکسی‌تونیک قوی‌تر منابع مؤثرتری برای تولید فوتون‌های درهم‌تنیده باشند. این کشف برای غلبه بر مشکل همگام‌سازی فاز که با کریستال‌های ضخیم‌تر مرتبط است، بسیار مهم است.

علاوه بر این، تیم NUS، تولید هارمونیک دوم(SHG)—که فرآیند معکوس SPDC است—را با استفاده از NbOI2 شبیه‌سازی کردند و نتایج آنها با داده‌های تجربی موجود همخوانی داشت و روش آنها را تأیید کرد. امکان استفاده از مواد فوق‌نازک برای تولید فوتون‌های درهم‌تنیده می‌تواند تحول بزرگی در توسعه پلتفرم‌های هیبریدی کوانتومی-فوتونیکی ایجاد کند و آنها را برای دستگاه‌های کوانتومی نسل آینده بیشتر عملی سازد. این پژوهش نه تنها درک از SPDC را پیشرفت می‌دهد بلکه راه‌های جدیدی برای منابع نور کوانتومی فشرده و کارآمد در محاسبات کوانتومی و ارتباطات امن باز می‌کند.

منبع

https://phys.org/news/2024-08-ultrathin-quantum-sources-scientists-excitonic.html

Fengyuan Xuan et al, Exciton-Enhanced Spontaneous Parametric Down-Conversion in Two-Dimensional Crystals, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.246902. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2305.08345