Uusi silta kvanttiverkoille

New Yorkin City Collegen fyysikot ovat osoittaneet uuden tavan siirtää mikroaaltosignaaleja valoon käyttämällä magneettisia aaltoja kerrostetun puolijohteen sisällä.

Työ luo materiaalialustan rajapintojen rakentamiseksi, jotka voisivat jonain päivänä yhdistää kvanttitietokoneita optisten verkkojen kautta. Tutkimusta, jonka otsikko on "Mikroaalto-optinen siirto magnoni-eksitonikytkennällä", johti CCNY:n nano- ja mikrofotoniikan laboratorio (LaNMP ), jota johtaa fysiikan professori Vinod M. Menon.

Monet nykyajan johtavista kvanttiprosessoreista toimivat mikroaaltosignaaleilla, kun taas valo soveltuu paljon paremmin informaation siirtämiseen pitkien matkojen päähän optisen kuidun kautta. Näiden kahden yhdistäminen vaatii muuntimen: laitteen, joka muuntaa signaalin taajuusalueelta toiselle säilyttäen samalla sen kuljettaman informaation.

Tutkimusryhmä kääntyi kromisulfidibromidin (CrSBr) puoleen, joka on kerrostettu magneettinen puolijohde. Mikroaaltojen ohjaamana kiteen atomien magneettiset momentit liikkuvat yhdessä tuottaen aaltoja, jotka tunnetaan magnoneina. Nämä aallot siirtävät eksitonien, sitoutuneiden elektroniparien ja aukkojen, energioita, jotka ovat vahvasti vuorovaikutuksessa valon kanssa.

Tämän seurauksena kiteestä heijastunut laservalo poimii koherentin optisen signaalin, joka seuraa mikroaallon ohjausta. Lähestymistapa hyödyntää erityisen voimakasta valon ja aineen välistä vuorovaikutusta lähellä eksitoniresonansseja.

Muunnos toimi noin 300 megahertsin mikroaaltotaajuusikkunassa, ja sen toimintataajuutta voitiin virittää käytetyllä magneettikentällä. Tutkijat havaitsivat vaikutuksen massakiteessä ilman optista tai mikroaaltoresonaattoria, joita yleensä käytetään vuorovaikutuksen tehostamiseksi.

Taajuusmuunnos on rutiinia nykyaikaisessa televiestinnässä. Kvanttisignaalien muuntaminen on paljon vaativampaa: hyödyllisen kvanttirajapinnan on toimittava erittäin tehokkaasti ja samalla lähes ilman kohinaa. Useiden alojen tutkijat etsivät erilaisia fysikaalisia mekanismeja ja materiaalialustoja näiden vaatimusten täyttämiseksi.

"CrSBr:n erityinen etu on sen kerrosrakenne, joka antaa meille huomattavaa vapautta laitesuunnittelussa ja integroinnissa", sanoo tutkimusta johtanut postdoc-tutkija Pratap Chandra Adak . "Näitä materiaaleja voidaan ohentaa vain muutamaan kerrokseen säilyttäen samalla niiden keskeiset magneettiset ja optiset ominaisuudet. Tämä avaa mahdollisuuksia vahvistaa vuorovaikutuksia ja rakentaa kompaktimpia laitteita."

Tämä koe määrittää mikroaaltomuunnoksen optiseksi. Pidemmän aikavälin tavoite, yksittäisten kvanttitilojen siirtäminen, vaatii huomattavia tehokkuuden parannuksia ja kohinan hallintaa.

"Minua innostaa potentiaali rakentaa näiden tulosten pohjalta", Menon sanoi. "CrSBr yhdistää vahvat optiset vuorovaikutukset ja mikroaaltotaajuusmagnetismin samassa kiteessä. Kerrostettujen magneettisten materiaalien perheen laajentuessa meillä on enemmän mahdollisuuksia löytää hyödyllisiä ominaisuuksien yhdistelmiä ja suunnitella uusia optomagneettisia laitteita."

Aiheesta aiemmin:

Mikropallopari muuttaa mikroaallot valoksi