Tehokas lasermainen mikroaaltolähde

Yksi kvanttilaskenta- ja viestintäjärjestelmien rakentamisen haasteista on ollut laserin kaltaisten riittävän tehokkaiden ja ilman erikoisjäähdytystä toimivien mikroaaltolähteiden puute.

Nyt Manitoban ja Shanghain yliopistojen tutkijoista koostunut ryhmä on osoittanut uuden huonelämpöisen tekniikan lasermaisen koherentin mikroaaltosäteilyn tuottamiseksi.

Tekniikka hyödyntää magneettisen materiaalin vuorovaikutusta sähkömagneettisten kenttien kanssa. Tutkijat odottavat työn johtavan mikroaaltolähteisiin, jotka voidaan rakentaa tulevaisuuden kvanttilaitteissa käytettäviin siruihin.

Laitteet, jotka tallentavat kvanttibittejä kvanttitietokoneille, vaativat usein mikroaaltosignaaleja datan syöttämiseen ja hakemiseen, joten mikroaaltotaajuuksilla toimivat laserit (maserit) – ja muut koherenttien mikroaaltojen lähteet – voivat olla erittäin hyödyllisiä.

Can-Ming Hu Manitoban yliopistosta Kanadasta kehittämä tekniikka tuottaa koherentin säteilyn käyttämällä erilaista konseptia kuin maser. Hun ja hänen kollegoidensa viimeaikaisen työn keskeinen painopiste oli sen ymmärtäminen, kuinka he voisivat vahvistaa onkalossa olevaa säteilyä siten, että ne tuottaisivat merkittävää mikroaaltoenergiaa, samalla kun he kontrolloivat tarkasti taajuutta ja muita ominaisuuksia.

Tutkijat tiesivät, että polaritonit voivat periaatteessa tuottaa hyödyllisiä mikroaaltoja. Hun ja hänen kollegoidensa työn keskeinen painopiste oli kuitenkin sen ymmärtäminen, kuinka he voisivat vahvistaa säteilyä ontelossa siten, että se tuottaisi merkittävää mikroaaltoenergiaa, samalla kun he hallitsevat tarkasti taajuutta ja muita ominaisuuksia.

Tutkimustyössään he osoittivat, että polaritonit voivat tuottaa koherenttia mikroaaltosäteilyä, jonka huipputaajuus on 3,6 GHz ja leveys vain 360 Hz. Tämä terävä taajuusmääritelmä, Hu sanoo, on merkittävä magneettijärjestelmälle ja linjan leveys tuhat kertaa pienempi kuin parhaiden vaihtoehtoisten magneettiteknologiaan perustuvien mikroaaltolähteiden.

Lisäksi magnonpolaritonisen rakenteen teho on miljardi kertaa parempi kuin vuoden 2018 huonelämpötilainen maser. Tutkijat osoittivat myös kyvyn vahvistaa mikroaaltotulosignaalia 10 000 kertaisesti samalla kun signaalin laatu säilyy. Tämän vahvistustoiminnon mahdollisuudet "ylittivät mielikuvituksemme", Hu hehkuttaa.

"Olen innoissani täällä raportoiduista kauniista tuloksista", sanoo Luqiao Liu, nanomittakaavan magneettijärjestelmien asiantuntija MIT:stä. "Magnonipolaritonien käyttö avaa monia uusia mahdollisuuksia ja yllättäen saavuttaa ylivertaisen suorituskyvyn mikroaaltojen tuottamisessa verrattuna moniin olemassa oleviin vaihtoehtoisiin teknologioihin."

Aiheesta aiemmin:

Mikroaaltoja kylmästä ja kutistettuja kubitteja