Beijing Institute of Quantum Information: Verwendung faserintegrierter Frequenzumwandlung zur Erzielung einer Quantenverschränkungsverteilung über 100 Kilometer
In den 1960er Jahren leitete das Aufkommen des Lasers eine neue Ära der Wissenschaft und Anwendung ein. Vom Scannen von Supermarktcodes bis zur Myopie-Chirurgie ist die traditionelle Laser-Photonen-Manipulationstechnologie seit langem in das tägliche Leben integriert. In den letzten zwei Jahrzehnten haben Wissenschaftler erfolgreich neue Laser entwickelt, die „Phononen“ (quantisierte Energieeinheiten mechanischer Schwingungen) steuern können. Es wird erwartet, dass die präzise Steuerung von Phononen der Lasertechnologie mehr Möglichkeiten eröffnet, beispielsweise durch die Nutzung einzigartiger Quanteneigenschaften wie verschränkter Zustände.
Ein Forschungsteam der Universität Rochester und des Rochester Institute of Technology in den Vereinigten Staaten hat kürzlich einen komprimierten Dual-Mode-Phononenlaser entwickelt, der eine hochpräzise Steuerung von Phononen im Nanometerbereich erreichen kann.
Das Forschungsteam veröffentlichte einen entsprechenden Artikel in der Zeitschrift Nature Communications, in dem detailliert beschrieben wird, wie nanoskalige mechanische Schwingungsquanten (Phononen) in die Lage versetzt werden können, eine laserähnliche kohärente Ausgabe beizubehalten und gleichzeitig eine Kompression des thermischen Rauschens durch Dual-Mode-Kopplung und nichtlineare Kühlung zu erreichen, wodurch die Fluktuationen von Phononenlasern erheblich reduziert werden.
Professor Nick Vamivakas, einer der korrespondierenden Autoren des Artikels, und seine Mitarbeiter demonstrierten 2019 erstmals den Phononenlaser. Sie verwendeten optische Pinzetten, um Nanopartikel einzufangen und im Vakuum zu suspendieren, und erreichten durch ihre mechanischen Schwingungen eine kohärente Schwingung der Phononen.
Um diese Technologie jedoch für hochpräzise Messungen nutzbar zu machen, mussten sie eine zentrale Herausforderung-überwinden: das Rauschen, die Interferenz, die die genaue Messung von Signalen beeinträchtigt. Dieses Problem besteht sowohl bei Photonen- als auch bei Phononenlasern.
„Laser erscheint mit bloßem Auge als stabiler Lichtstrahl, tatsächlich gibt es jedoch viele Schwankungen, die zu Störungen im Messprozess führen können.“ Nick Vamivakas erklärte: „Wir erreichten eine wirksame Unterdrückung von Phononenlaserschwankungen durch die Anwendung einer parametrischen Kopplungsmodulation auf die beiden Schwingungsmodi im Aufhängungssystem der optischen Pinzette in Kombination mit einer nichtlinearen Parameterkühlung.“
Diese Abbildung zeigt das Kerngerät und das Prinzip des Experiments. (a) veranschaulicht das Aufhängungssystem der optischen Pinzette und wie man durch Modulation eine Zwei-{1}-Modenkopplung erreicht; (b) erklärt die Erzeugung asymmetrischer Potentialtöpfe und den Rotationskopplungsmechanismus; () stellt den Phononen-Down--Konvertierungsprozess visuell mit der Summe zweier Frequenzen als Antriebsfrequenz durch das Energieniveaudiagramm dar, das die physikalische Grundlage für die Erzielung einer Dual--Modus-Komprimierung darstellt.
Der zentrale Durchbruch des Forschungsteams ist die Realisierung einer thermomechanischen Dual-Mode-Kompression: Bei den beiden orthogonalen Schwingungsmoden x und y von suspendierten Silica-Nanopartikeln (Durchmesser 100 nm) in optischen Pinzetten wird die Summe der beiden Modenfrequenzen als Antriebsfrequenz für die Kopplungsmodulation verwendet. Gleichzeitig wird das System in Kombination mit der nichtlinearen Parameterkühlung stabilisiert, wodurch das inhärente thermische Rauschen des Phononenlasers direkt komprimiert und reduziert wird.
Nick Vamivakas sagte, dass diese Fähigkeit zur Rauschunterdrückung es der Beschleunigungsmessgenauigkeit des Systems ermöglicht, herkömmliche Photonenlaser- und Hochfrequenzwellenmesstechnologien zu übertreffen.
