.
Os fótons ópticos são portadores ideais de informação quântica. Mas, para trabalharem juntos em um computador ou rede quântica, eles precisam ter a mesma cor – ou frequência – e largura de banda. Alterar a frequência de um fóton requer alterar sua energia, o que é particularmente desafiador em chips fotônicos integrados.
Recentemente, pesquisadores da Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) desenvolveram um modulador eletro-óptico integrado que pode alterar com eficiência a frequência e a largura de banda de fótons individuais. O dispositivo pode ser usado para computação quântica e redes quânticas mais avançadas.
A pesquisa é publicada em Luz: ciência e aplicações.
A conversão de um fóton de uma cor para outra geralmente é feita enviando o fóton para um cristal com um forte laser brilhando através dele, um processo que tende a ser ineficiente e barulhento. A modulação de fase, na qual a oscilação da onda do fóton é acelerada ou desacelerada para alterar a frequência do fóton, oferece um método mais eficiente, mas o dispositivo necessário para tal processo, um modulador de fase eletro-óptico, provou ser difícil de integrar em um chip.
Um material pode ser adequado exclusivamente para tal aplicação – niobato de lítio de filme fino.
“Em nosso trabalho, adotamos um novo design de modulador em niobato de lítio de película fina que melhorou significativamente o desempenho do dispositivo”, disse Marko Lončar, professor Tiantsai Lin de Engenharia Elétrica da SEAS e autor sênior do estudo. “Com este modulador integrado, alcançamos mudanças de frequência de terahertz recordes de fótons únicos.”
A equipe também usou o mesmo modulador como uma “lente do tempo” – uma lupa que curva a luz no tempo em vez do espaço – para mudar a forma espectral de um fóton de gordo para magro.
“Nosso dispositivo é muito mais compacto e eficiente em termos de energia do que os dispositivos a granel tradicionais”, disse Di Zhu, o primeiro autor do artigo. “Ele pode ser integrado com uma ampla gama de dispositivos clássicos e quânticos no mesmo chip para realizar um controle de luz quântica mais sofisticado”.
Di é um ex-colega de pós-doutorado na SEAS e atualmente é um cientista pesquisador da Agência de Ciência, Pesquisa e Tecnologia (A*STAR) em Cingapura.
Em seguida, a equipe pretende usar o dispositivo para controlar a frequência e a largura de banda de emissores quânticos para aplicações em redes quânticas.
A pesquisa foi uma colaboração entre Harvard, MIT, HyperLight e A*STAR.
O artigo foi co-escrito por Changchen Chen, Mengjie Yu, Linbo Shao, Yaowen Hu, CJ Xin, Matthew Yeh, Soumya Ghosh, Lingyan He, Christian Reimer, Neil Sinclair, Franco NC Wong e Mian Zhang.
Esta pesquisa foi financiada pela Harvard Quantum Initiative (HQI), Army Research Office/Defense Advanced Projects Agency (DARPA) (W911NF2010248), Air Force Office of Scientific Research (FA9550-20-1-01015), DARPA Lasers for Universal Microscale Optical Systems (HR0011-20-C-0137), Departamento de Energia (DE-SC0020376), National Science Foundation (EEC-1941583), Laboratório de Pesquisa da Força Aérea (FA9550-21-1-0056), bolsa de pós-doutorado HQI, A *STAR SERC Central Research Fund (CRF) e Ciências Naturais e Engenharia Research Council of Canada (NSERC).
.
