Автор: Денис Аветисян
Исследователи продемонстрировали компактный и эффективный источник сжатого света на базе ниобата лития, открывающий перспективы для создания масштабируемых квантовых устройств.
Разработан источник сжатого света на кристалле ниобата лития, интегрированный в микрорезонатор, обеспечивающий высокую эффективность и широкую полосу пропускания.
Квантовые флуктуации ограничивают чувствительность оптических измерений, однако создание выжатого света открывает путь к повышению точности в метрологии и сенсорике. В работе, посвященной ‘Quantum squeezing in an all-resonant periodically poled lithium niobate microresonator’, продемонстрирована эффективная генерация выжатого света на чипе из ниобата лития, реализованная в резонансном параметрическом усилителе. Достигнут уровень выживания фотонов более 90% и фактор качества выше 2.5 миллионов, что позволило получить выжатие на 7.52 дБ при мощности накачки всего 27 мВт. Сможет ли эта технология стать основой для создания масштабируемых и энергоэффективных квантовых устройств нового поколения?
Сжатый свет: Открытие новых горизонтов квантовых технологий
Квантовые технологии, особенно те, что работают с непрерывными переменными, предъявляют особые требования к снижению квантового шума. Для достижения этой цели используются так называемые «сжатые состояния» света — состояния, в которых неопределенность в одной из квадратур электромагнитного поля уменьшена за счет увеличения неопределенности в другой, что позволяет повысить точность измерений и улучшить характеристики квантовых устройств. \Delta x \Delta p \geq \hbar/2 — фундаментальное соотношение неопределенностей, определяющее границы снижения шума. Сжатые состояния света являются ключевым ресурсом для повышения чувствительности детекторов, улучшения эффективности квантовой связи и реализации более мощных квантовых вычислений, открывая возможности для прорывных технологий в различных областях науки и техники.
Традиционные методы генерации сжатых состояний света, такие как объемные оптические параметрические осцилляторы, часто характеризуются значительными размерами и высоким энергопотреблением. Данные характеристики существенно ограничивают возможности их практического применения, особенно в портативных устройствах и системах, требующих компактности и энергоэффективности. Необходимость в миниатюризации и снижении энергопотребления становится критичной для широкого внедрения квантовых технологий, где сжатый свет играет ключевую роль. Разработка компактных и эффективных источников сжатого света на основе интегральных оптических схем является важным шагом на пути к созданию более доступных и функциональных квантовых устройств, способных решать сложные задачи в области коммуникаций, вычислений и сенсорики.
Состояние квантового света, известное как «выжатое состояние», играет ключевую роль в развитии передовых технологий. В частности, оно необходимо для повышения чувствительности детекторов гравитационных волн, позволяя улавливать мельчайшие колебания пространства-времени. Кроме того, выжатое состояние света является основой для более безопасной квантовой связи, где информация кодируется в квантовых свойствах фотонов, делая перехват практически невозможным. Наконец, в области квантовых вычислений, использование выжатых состояний позволяет создавать более эффективные и точные квантовые схемы, открывая путь к решению задач, непосильных для классических компьютеров. Таким образом, создание и совершенствование методов генерации выжатого света является критически важным для прогресса в этих разнообразных и быстро развивающихся областях науки и техники.
Представленная работа демонстрирует создание компактного, чипового генератора сжатого света на основе литий-ниобата, использующего двойной резонанс. Устройство достигло уровня сжатия в -0.81 дБ, что свидетельствует о значительном снижении квантового шума. На основе проведенных измерений, расчетный уровень сжатия непосредственно на чипе составил -7.52 дБ. Данный результат открывает перспективы для миниатюризации и повышения эффективности квантовых технологий, включая гравитационно-волновую оптику, квантовую связь и вычисления, благодаря возможности интеграции устройства в портативные и энергоэффективные системы.
Интегральная фотоника: Путь к компактным источникам сжатия света
Интегрированная фотоника представляет собой перспективный подход к созданию миниатюрных и масштабируемых источников выжатого света. Традиционные методы генерации выжатого света требуют прецизионной оптики и сложной юстировки, что ограничивает их компактность и возможности массового производства. Интегрированные фотонные схемы, напротив, позволяют создавать оптические устройства на чипе, используя методы микро- и нанофабрикации. Это обеспечивает высокую степень интеграции, стабильность и возможность массового производства с относительно низкой стоимостью. Преимущества интегрированных фотонных схем заключаются в уменьшении размеров, повышении стабильности и снижении энергопотребления по сравнению с дискретными оптическими системами, что делает их привлекательными для широкого спектра квантовых технологий и приложений.
Ключевым материалом для создания источников выжатого света на интегральных фотонных схемах является ниобат лития (LiNbO3), обладающий выраженной нелинейностью второго порядка. Данное свойство позволяет эффективно преобразовывать оптические сигналы и генерировать коррелированные фотоны, необходимые для создания выжатого света. Величина нелинейного коэффициента \chi^{(2)} для ниобата лития существенно выше, чем у большинства других оптических материалов, что обеспечивает высокую эффективность нелинейных процессов, таких как параметрическое преобразование частоты и генерация выжатого света, даже при относительно небольших размерах устройства и низких уровнях оптической мощности. Важно отметить, что сильная нелинейность второго порядка обусловлена отсутствием центральной симметрии в кристаллической структуре ниобата лития.
Тонкопленочный ниобат лития (LiNbO3) сочетает в себе высокие нелинейные оптические свойства, присущие объемному ниобату лития, с преимуществами масштабируемости, характерными для интегрально-фотонных платформ. Использование тонких пленок позволяет создавать компактные и эффективные устройства для генерации выжатого света непосредственно на чипе. В отличие от традиционных объемных кристаллов, тонкопленочные структуры обеспечивают возможность массового производства и интеграции с другими оптическими компонентами, что существенно снижает стоимость и габариты систем, использующих выжатый свет. Такая интеграция открывает перспективы для создания компактных квантовых сенсоров, систем квантовой связи и других устройств, требующих источников выжатого света с высокой стабильностью и масштабируемостью.
Генерация выжатого света на чипе осуществляется посредством методов оптического параметрического усиления (ОПА), эффективность которого значительно повышается за счет применения резонансных структур и точной инженерии дисперсии. В частности, использование оптических резонаторов позволяет накапливать энергию и усиливать процесс ОПА, а контролируемая дисперсия оптимизирует фазовое согласование, необходимое для эффективного преобразования света. Точное проектирование этих элементов, включая геометрию резонатора и профиль дисперсии, критически важно для достижения высокой степени выжатия и широкой полосы пропускания, что позволяет создавать компактные и эффективные источники выжатого света для квантовых технологий.
Разработанное устройство демонстрирует полосу сжатия, превышающую 10.3 ТГц. Этот показатель значительно расширяет возможности применения квантовых технологий, требующих широкополосного сжатого света. Широкая полоса пропускания позволяет использовать сжатый свет в приложениях, таких как высокоскоростная квантовая связь, высокочувствительные датчики и передовые методы квантовой визуализации, где важна обработка сигналов в широком частотном диапазоне. Достижение такой высокой полосы сжатия на чипе является важным шагом на пути к созданию компактных и масштабируемых квантовых систем.
Периодически поляризованный литий ниобат: Ключ к усилению нелинейности
Периодически поляризованный литий ниобат (PPLN) является ключевой технологией для повышения эффективности нелинейных взаимодействий. В основе ее работы лежит компенсация фазового рассогласования посредством квазифазового согласования. В обычных нелинейных кристаллах, из-за дисперсии, возникает фазовое рассогласование между фундаментальной и второй гармоникой, что ограничивает эффективность генерации второй гармоники. PPLN решает эту проблему путем периодического обращения направления поляризации в кристалле, создавая структуру, которая компенсирует фазовое рассогласование. Период поляризации подбирается таким образом, чтобы суммарная фаза взаимодействующих волн оставалась постоянной на протяжении всего кристалла, что максимизирует преобразование энергии и повышает эффективность нелинейных процессов, таких как генерация второй гармоники (\chi^{(2)} процессы) и параметрическое преобразование частоты.
Создание периодически поляризованного ниобата лития (PPLN) основано на процессе инверсии доменов — целенаправленном изменении направления спонтанной поляризации материала. В исходном состоянии кристалл ниобата лития обладает однородной поляризацией. Инверсия доменов достигается путем локального применения электрического поля, что приводит к обращению направления поляризации в определенных областях кристалла. Эти области, называемые доменами, чередуются с областями исходной поляризации, создавая периодическую структуру, необходимую для квазифазового согласования и эффективного нелинейного взаимодействия. Размер и периодичность этих доменов критически важны для достижения оптимальной эффективности преобразования частоты.
Комбинирование микрорезонаторов и периодически поляризованного литий ниобата (PPLN) позволяет значительно усилить нелинейные взаимодействия и добиться более сильного сжатия света. Микрорезонаторы обеспечивают эффективное накопление оптической энергии, что увеличивает интенсивность взаимодействия с нелинейным материалом PPLN. PPLN, в свою очередь, обеспечивает квазифазовое согласование, необходимое для эффективного нелинейного преобразования. Совместное использование этих двух технологий позволяет достичь высокой эффективности генерации сжатого света, что критически важно для квантовых технологий и прецизионных измерений. В частности, накопление света в микрорезонаторе увеличивает время взаимодействия, а квазифазовое согласование в PPLN компенсирует дисперсию, максимизируя нелинейный эффект.
Эффективность вывода (escape efficiency) является критическим параметром для максимизации количества полезного сжатого света, покидающего микрочиповое устройство. В представленном устройстве достигнута эффективность вывода в 91.5%, что указывает на высокую долю сжатого света, успешно покидающего структуру и доступного для дальнейшего использования. Оптимизация этого параметра требует тщательного проектирования геометрии волновода и выбора материалов, минимизирующих потери света на границах раздела и обеспечивающих эффективный отвод сжатого света из резонатора.
Достигнутая эффективность генерации второй гармоники (SHG) составляет 2516%/W/cm2, что является ключевым фактором, способствующим эффективной генерации выжатого света. Данный показатель характеризует эффективность преобразования мощности входного сигнала в сигнал второй гармоники на единицу длины взаимодействия в нелинейном кристалле. Высокая эффективность SHG позволяет минимизировать требуемую мощность накачки для достижения заданного уровня выжатия, что критически важно для практических приложений, таких как квантовая оптика и высокочувствительные измерения.
Устройство функционирует при мощности накачки в 27 мВт. Данный режим работы позволяет достичь высокой эффективности нелинейных взаимодействий и генерации сжатого света, при этом обеспечивая стабильную работу и минимизируя тепловые эффекты. Выбранная мощность накачки является оптимальной для достижения максимальной эффективности преобразования энергии при заданных параметрах периодически поляризованного литий-ниобата (PPLN) и геометрии микрорезонатора. Использование относительно низкой мощности накачки также способствует снижению энергопотребления устройства и увеличению его срока службы.
Влияние сжатого света: Новые горизонты в науке и технике
Высокопроизводительные источники сжатого света, создаваемые непосредственно на чипе, открывают новые горизонты в различных областях науки и техники, в особенности в области регистрации гравитационных волн. Сжатое состояние света, характеризующееся уменьшением шума в одной из квадратур электромагнитного поля, позволяет значительно повысить чувствительность детекторов, способных улавливать чрезвычайно слабые сигналы от космических событий. Это достигается за счет преодоления стандартного квантового предела, ограничивающего точность измерений. Развитие подобных технологий имеет решающее значение для будущих обсерваторий гравитационных волн, стремящихся обнаружить еще более отдаленные и слабые источники, расширяя наше понимание Вселенной и фундаментальных законов физики. Повышенная чувствительность позволяет исследовать явления, ранее недоступные для наблюдения, открывая возможности для новых научных открытий.
Состояние сжатого света играет ключевую роль в повышении точности спектроскопии сдвоенными гребенками. Использование сжатых состояний позволяет существенно снизить шум, ограничивающий разрешение при измерении спектров сложных молекул и материалов. В отличие от классических методов, где шум обусловлен квантовыми флуктуациями электромагнитного поля, сжатое состояние позволяет перераспределить эти флуктуации, уменьшая их в интересующем диапазоне частот. Это, в свою очередь, позволяет детектировать более слабые сигналы и различать близко расположенные спектральные линии, что критически важно для точного анализа молекулярного состава и структуры веществ. Δν = \frac{1}{2πT} — эта формула показывает связь между спектральным разрешением и временем наблюдения, которое может быть увеличено благодаря снижению шума при использовании сжатого света.
Разработка компактных источников сжатого света на чипе открывает новые возможности для создания распределенных квантовых сенсорных сетей. Использование сжатых состояний света позволяет значительно превзойти классический предел стандартных квантовых ограничений, повышая чувствительность отдельных сенсоров и, что особенно важно, позволяя объединять их в сети для достижения беспрецедентной точности измерений. Такие сети могут найти применение в самых разных областях, от мониторинга гравитационных волн и обнаружения темной материи до прецизионного картирования магнитных полей и улучшения систем связи. Преимущество заключается в возможности распределенного сбора данных и корреляции между сенсорами, что позволяет преодолеть ограничения, связанные с шумом и потерями сигнала в отдельных устройствах, и создать высокочувствительную систему, охватывающую большие территории или объемы.
Для точной характеристики и эффективного использования сжатого света, создаваемого на чипе, необходим метод, позволяющий измерить его квантовые свойства. В этом контексте, сбалансированная гомодинная детекция, объединенная с электрооптической модуляцией фазы, играет ключевую роль. Данный подход позволяет преобразовывать квантовые флуктуации света в классический сигнал, который можно измерить с высокой точностью. Электрооптическая модуляция фазы позволяет контролировать и оптимизировать процесс измерения, обеспечивая максимальную чувствительность к сжатию света. Именно благодаря этой комбинации технологий становится возможным не только подтвердить наличие сжатия, но и количественно оценить его уровень, что критически важно для применения в различных областях, таких как гравитационно-волновая интерферометрия и квантовое зондирование.
Устройство демонстрирует внушительный уровень сжатия света на чипе, достигающий -7.52 дБ, что свидетельствует о значительном снижении квантовых шумов. Одновременно с этим, наблюдается уровень анти-сжатия +9.62 дБ, указывающий на эффективное подавление шумов в ортогональной фазе. Данное сочетание параметров позволяет добиться превосходной чувствительности в приложениях, требующих высокой точности измерений, и открывает перспективы для реализации передовых технологий в области квантовой оптики и сенсорики. Фактически, это означает, что устройство способно обнаруживать чрезвычайно слабые сигналы, которые были бы неразличимы при использовании классического света.
Исследование демонстрирует возможности создания компактных и эффективных источников выжатого света на основе ниобата лития. Полученные результаты, указывающие на значительное подавление квантовых флуктуаций, открывают новые перспективы для масштабируемых квантовых фотонных технологий. Как отмечал Никола Тесла: «Самое ценное, что я знаю, — это то, что я ничего не знаю». Эта фраза отражает суть научного поиска — постоянное стремление к познанию и признание границ существующего знания, что особенно важно при работе с такими сложными явлениями, как выжатый свет и квантовые флуктуации. Понимание закономерностей, проявляющихся в экспериментальных данных, требует постоянной проверки гипотез и готовности к новым открытиям.
Что дальше?
Наблюдаемый прогресс в создании источников выжатого света на основе ниобата лития, безусловно, напоминает фазовые переходы в биологических системах. Уменьшение размеров и повышение эффективности — это не просто инженерные улучшения, а проявление самоорганизации, когда система стремится к минимальной энергии, к оптимальной конфигурации для передачи информации. Однако, аналогия с физикой не полна. Как и в квантовой механике, наблюдается неизбежное влияние шума, «вакуумных флуктуаций», которые ограничивают степень «выжатия». Решение этой проблемы требует не только улучшения материалов и конструкции резонаторов, но и, возможно, принципиально новых подходов к управлению квантовыми состояниями.
Очевидным направлением является расширение полосы пропускания выжатого света. Сегодняшние системы демонстрируют впечатляющие результаты, но для реализации сложных квантовых алгоритмов и протоколов необходим широкий спектр частот, подобно разнообразию нейронных связей в мозге. Кроме того, интеграция этих источников с другими квантовыми компонентами — однофотонными источниками, детекторами — представляет собой сложную задачу, требующую высокой точности и контроля над параметрами системы.
В конечном итоге, успех этого направления исследований зависит от способности преодолеть фундаментальные ограничения, подобные тем, с которыми сталкиваются биологические системы при передаче сигналов в шумной среде. И, как и в биологии, решение может заключаться не в полном устранении шума, а в разработке эффективных механизмов кодирования и декодирования информации, способных извлекать полезный сигнал из хаоса.
Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.22693.pdf
Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/
Смотрите также:
- Функциональные поля и модули Дринфельда: новый взгляд на арифметику
- Квантовая самовнимательность на службе у поиска оптимальных схем
- Квантовый скачок: от лаборатории к рынку
2026-02-28 15:11