Thay đổi màu sắc cho quang tử trên chip để cung cấp năng lượng cho máy tính và mạng lượng tử thế hệ tiếp theo

Các bộ dịch tần trên chip trong dải gigahertz có thể được sử dụng trong các mạng và máy tính lượng tử thế hệ tiếp theo.

Khả năng điều khiển và thay đổi chính xác các đặc tính của photon, bao gồm phân cực, vị trí trong không gian và thời gian đến, đã tạo ra một loạt các công nghệ truyền thông mà chúng ta sử dụng ngày nay, bao gồm cả Internet. Thế hệ tiếp theo của công nghệ quang tử, chẳng hạn như mạng lượng tử quang tử và máy tính, sẽ đòi hỏi sự kiểm soát nhiều hơn nữa đối với các thuộc tính của một photon.

Một trong những đặc tính khó thay đổi nhất là màu sắc của photon, hay còn được gọi là tần số của nó, bởi vì thay đổi tần số của photon có nghĩa là thay đổi năng lượng của nó.

Ngày nay, hầu hết các bộ chuyển đổi tần số đều quá kém hiệu quả, mất nhiều ánh sáng trong quá trình chuyển đổi hoặc chúng không thể chuyển đổi ánh sáng trong dải gigahertz, nơi có các tần số quan trọng nhất cho truyền thông, máy tính và các ứng dụng khác.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Harvard John A. Paulson (SEAS) đã phát triển bộ dịch tần trên chip hiệu quả cao có thể chuyển đổi ánh sáng trong dải tần gigahertz. Các bộ dịch tần được điều khiển dễ dàng, sử dụng vi sóng đơn âm và liên tục.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature .

Marko Lončar, Giáo sư Kỹ thuật Điện tại Tiantsai Lin và tác giả cao cấp của bài báo cho biết: “Bộ dịch tần của chúng tôi có thể trở thành nền tảng cơ bản cho các hệ thống truyền thông cổ điển quy mô lớn, tốc độ cao cũng như các máy tính lượng tử quang tử mới nổi.

Bài báo phác thảo hai loại bộ dịch tần trên chip – một loại có thể che phủ màu này sang màu khác, sử dụng độ dịch chuyển vài chục gigahertz và một loại khác có thể phân tầng nhiều dịch chuyển, độ dịch chuyển hơn 100 gigahertz.

Mỗi thiết bị đều được xây dựng trên nền tảng lithium niobate do Lončar và phòng thí nghiệm của ông tiên phong.

Lithium niobate có thể chuyển đổi tín hiệu điện tử thành tín hiệu quang một cách hiệu quả nhưng từ lâu đã bị nhiều người trong lĩnh vực này coi là khó hoạt động trên quy mô nhỏ. Trong nghiên cứu trước đó , Lončar và nhóm của ông đã chứng minh kỹ thuật chế tạo vi cấu trúc liti niobate hiệu suất cao bằng cách sử dụng phương pháp khắc plasma tiêu chuẩn để điêu khắc vật lý các vi mô trong màng liti niobate mỏng.

Ở đây, sử dụng kỹ thuật tương tự, Lončar và nhóm của ông đã khắc các bộ cộng hưởng vòng và ống dẫn sóng được ghép nối trên liti niobate màng mỏng. Trong thiết bị đầu tiên, hai bộ cộng hưởng được ghép nối tạo thành một cấu trúc giống như hình số tám. Ánh sáng đầu vào đi từ ống dẫn sóng qua các bộ cộng hưởng theo hình số tám, đi vào dưới dạng một màu và nổi lên như một màu khác. Thiết bị này cung cấp dịch chuyển tần số cao tới 28 gigahertz với hiệu suất khoảng 90%. Nó cũng có thể được cấu hình lại như bộ tách chùm miền tần số có thể điều chỉnh được, trong đó một chùm tần số được tách thành hai chùm tần số khác.

Thiết bị thứ hai sử dụng ba bộ cộng hưởng ghép: một bộ cộng hưởng vòng nhỏ, một bộ cộng hưởng hình bầu dục dài được gọi là bộ cộng hưởng đường đua và một bộ cộng hưởng hình chữ nhật. Khi tốc độ ánh sáng xung quanh bộ cộng hưởng của đường đua, nó chuyển thành tần số cao hơn và cao hơn, dẫn đến sự thay đổi cao tới 120 gigahertz.

Yaowen Hu, trợ lý nghiên cứu tại SEAS và là tác giả đầu tiên của bài báo cho biết: “Chúng tôi có thể đạt được mức độ thay đổi tần số này chỉ bằng một tín hiệu vi ba 30 gigahertz duy nhất. “Đây là một loại thiết bị quang tử hoàn toàn mới. Những nỗ lực trước đây để thay đổi tần số bằng lượng lớn hơn 100 gigahertz là rất khó khăn và tốn kém, đòi hỏi một tín hiệu vi sóng lớn tương đương ”.

Lončar cho biết: “Công việc này có thể thực hiện được nhờ tất cả những phát triển trước đây của chúng tôi về quang tử niobate lithium tích hợp. “Khả năng xử lý thông tin trong miền tần số theo cách hiệu quả, nhỏ gọn và có thể mở rộng có khả năng giảm đáng kể chi phí và yêu cầu về tài nguyên cho các mạch quang tử quy mô lớn, bao gồm điện toán lượng tử , viễn thông, radar, xử lý tín hiệu quang học, và quang phổ học. ”

Tham khảo: “Bộ chuyển đổi tần số điện quang và bộ tách chùm trên chip” của Yaowen Hu, Mengjie Yu, Di Zhu, Neil Sinclair, Amirhassan Shams-Ansari, Linbo Shao, Jeffrey Holzgrafe, Eric Puma, Mian Zhang và Marko Lončar, ngày 24 tháng 11 2021, Bản chất .
DOI: 10.1038 / s41586-021-03999-x

Văn phòng Phát triển Công nghệ của Harvard đã bảo vệ tài sản trí tuệ liên quan đến dự án này và đang theo đuổi các cơ hội thương mại hóa.

Nghiên cứu được đồng tác giả bởi Mengjie Yu, Di Zhu, Neil Sinclair, Amirhassan Shams-Ansari, Linbo Shao, Jeffrey Holzgrafe, Eric Puma và Mian Zhang. Nó được hỗ trợ một phần bởi Văn phòng Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ theo tài trợ QOMAND N00014-15-1-2761, Văn phòng Nghiên cứu Khoa học Không quân theo cấp FA9550‐19‐1‐0310 và FA9550-20-1-0105, Quốc gia Tổ chức Khoa học, dưới sự tài trợ ECCS-1839197, ECCS-1541959, PFI-TT IIP-1827720, Văn phòng Nghiên cứu Quân đội dưới sự tài trợ W911NF2010248 và Bộ Năng lượng dưới sự tài trợ HEADS-QON DE-SC0020376.

Theo Scitechdaily