Lasrar finns överallt nuförtiden:läkare använder dem för att korrigera synen, kassörer för att skanna dina matvaror, och kvantforskare för att kontrollera qubits i den framtida kvantdatorn. För de flesta applikationer, den nuvarande skrymmande, energiineffektiva lasrar är bra, men kvantforskare arbetar vid extremt låga temperaturer och i mycket liten skala. I över 40 år, de har letat efter effektiva och exakta mikrovågslasrar som inte kommer att störa den mycket kalla miljön där kvanttekniken fungerar.

Ett team av forskare under ledning av Leo Kouwenhoven vid TU Delft har demonstrerat en mikrovågslaser på chip baserad på en grundläggande egenskap hos supraledning, ac Josephson-effekten. De bäddade in en liten del av en avbruten supraledare, en Josephson-korsning, i en noggrant konstruerad on-chip-hålighet. En sådan anordning öppnar dörren till många applikationer där mikrovågsstrålning med minimal spridning är nyckeln, till exempel vid styrning av qubits i en skalbar kvantdator.

Forskarna har publicerat sitt arbete i Vetenskap den 3 mars.

Lasrar har den unika förmågan att sända perfekt synkroniserade, sammanhängande ljus. Detta gör att linjebredden (motsvarande färgen) är mycket smal. Vanligtvis tillverkas lasrar av ett stort antal sändare (atomer, molekyler, eller halvledande bärare) inuti en kavitet. Dessa konventionella lasrar är ofta ineffektiva, och avleda mycket värme under tiden. Detta gör dem svåra att använda i kryogena miljöer, till exempel vad som krävs för att driva en kvantdator.

Supraledande Josephson-korsning

1911, den holländska fysikern Heike Kamerlingh Onnes upptäckte att vissa material övergår till ett supraledande tillstånd vid mycket låga temperaturer, tillåta elektrisk ström att flyta utan någon energiförlust. En av de viktigaste tillämpningarna av supraledning är Josephson-effekten:om en mycket kort barriär avbryter ett stycke supraledare, de elektriska bärarna tunnlar genom detta icke-supraledande material genom kvantmekanikens lagar. Dessutom, de gör det med en mycket karakteristisk frekvens, som kan varieras med en externt pålagd likspänning. Josephson junction är därför en perfekt spänning till ljus (frekvens) omvandlare.

Josephson junction laser

Forskarna vid QuTech kopplade en sådan enskild Josephson-övergång till en högkvalitativ supraledande mikrokavitet, inte större än en myra. Josephson-övergången fungerar som en enda atom, medan kaviteten kan ses som två speglar för mikrovågsljus. När en liten likspänning appliceras på denna Josephson-övergång, den avger mikrovågsfotoner som är i resonans med kavitetsfrekvensen. Fotonerna studsar fram och tillbaka mellan två supraledande speglar, och tvinga Josephson-övergången att sända ut fler fotoner synkroniserade med fotonerna i kaviteten. Genom att kyla ner enheten till ultralåga temperaturer ( <1 Kelvin) och applicerar en liten likspänning till Josephson-övergången, forskarna observerar en koherent stråle av mikrovågsfotoner som sänds ut vid utgången av kaviteten. Eftersom on-chip-lasern är gjord helt av supraledare, den är mycket energieffektiv och mer stabil än tidigare demonstrerade halvledarbaserade lasrar. Den använder mindre än en picoWatt ström för att köra, mer än 100 miljarder gånger mindre än en ljusglob.

Kvantkontroll med låg förlust

Effektiva källor till högkvalitativt sammanhängande mikrovågsljus är avgörande i alla nuvarande konstruktioner av den framtida kvantdatorn. Mikrovågsskurar används för att läsa upp och överföra information, rätta fel och komma åt och kontrollera de enskilda kvantkomponenterna. Medan nuvarande mikrovågskällor är dyra och ineffektiva, Josephson junction-lasern som skapats på QuTech är energieffektiv och erbjuder en on-chip-lösning som är lätt att kontrollera och modifiera. Gruppen utökar sin design till att använda avstämbara Josephson-övergångar gjorda av nanotrådar för att möjliggöra mikrovågsutbrott för snabb kontroll av flera kvantkomponenter. I framtiden, en sådan anordning kan kunna generera så kallat "amplitud-pressat" ljus med mindre intensitetsfluktuationer jämfört med konventionella lasrar, detta är viktigt i de flesta kvantkommunikationsprotokoll. Detta arbete markerar ett viktigt steg mot kontroll av stora kvantsystem för kvantberäkning.