Optiska motorvägar för ljus är kärnan i modern kommunikation. Men när det gäller att styra enskilda ljusfläckar som kallas fotoner, tillförlitlig transitering är mycket mindre vanligt. Nu, ett samarbete mellan forskare från Joint Quantum Institute (JQI), ledd av JQI Fellows Mohammad Hafezi och Edo Waks, har skapat ett fotoniskt chip som båda genererar enstaka fotoner, och styr dem runt. Enheten, beskrivs i 9 februari -numret av Vetenskap , har ett sätt för kvantljuset att sömlöst röra sig, opåverkad av vissa hinder.

"Denna design innehåller välkända idéer som skyddar strömmen i vissa elektriska enheter, "säger Hafezi." Här, vi skapar en analog miljö för fotoner, en som skyddar kvantljusets integritet, även i närvaro av vissa defekter. "

Chippet börjar med en fotonisk kristall, som är en etablerad, mångsidig teknik som används för att skapa vägar för ljus. De görs genom att slå hål genom ett ark med halvledare. För fotoner, det upprepade hålmönstret ser mycket ut som en riktig kristall gjord av ett nät av atomer. Forskare använder olika hålmönster för att ändra hur ljus böjer sig och studsar genom kristallen. Till exempel, de kan ändra hålstorlekar och separationer för att skapa begränsade körfält som gör att vissa ljusa färger kan passera, samtidigt som man förbjuder andra.

Ibland, även i dessa noggrant tillverkade enheter, det finns brister som ändrar ljusets avsedda väg, gör att den går en omväg till en oväntad riktning. Men snarare än att avlägsna sina marker från alla brister, JQI -teamet mildrar denna fråga genom att tänka om kristallens hålformer och kristallmönster. I det nya chipet, de etsar ut tusentals triangulära hål i en uppsättning som liknar en bikakekaka. Längs mitten av enheten flyttar de avståndet mellan hålen, som öppnar en annan typ av körfält för ljuset. Tidigare, dessa forskare förutspådde att fotoner som rör sig längs den raden av förskjutna hål borde vara ogenomträngliga för vissa defekter på grund av den övergripande kristallstrukturen, eller topologi. Oavsett om körfältet är en omkörningsväg eller ett rakt skott, ljusets väg från ursprung till destination bör vara säker, oavsett vägens detaljer.

Ljuset kommer från små fläckar av halvledare - dubbade kvantemitrar - inbäddade i den fotoniska kristallen. Forskare kan använda lasrar för att pressa detta material till att släppa enstaka fotoner. Varje sändare kan få energi genom att absorbera laserfotoner och tappa energi genom att senare spotta ut dessa fotoner, en i taget. Fotoner som kommer från de två mest energiska tillstånden hos en enda sändare är olika färger och roterar i motsatta riktningar. För detta experiment, laget använder fotoner från en sändare som finns nära chipets centrum.

Teamet testade chipets kapacitet genom att först ändra en kvantemitter från dess lägsta energitillstånd till ett av dess två högre energilägen. När du slappnar av, sändaren dyker ut en foton i det närliggande körfältet. De fortsatte denna process många gånger, med hjälp av fotoner från de två tillstånden med högre energi. De såg att fotoner från de två staterna föredrog att resa i motsatta riktningar, vilket var bevis på den underliggande kristalltopologin.

För att bekräfta att designen verkligen kan erbjuda skyddade körfält för enstaka fotoner, laget skapade en 60 graders sväng i hålmönstret. I typiska fotoniska kristaller, utan inbyggda skyddsfunktioner, en sådan knäck skulle sannolikt få en del av ljuset att reflektera bakåt eller spridas någon annanstans. I detta nya chip, topologi skyddade fotonerna och tillät dem att fortsätta sin väg obehindrat.

"På internet, information rör sig runt i ljuspaket som innehåller många fotoner, och att förlora några skadar dig inte för mycket ", säger medförfattaren Sabyasachi Barik, en doktorand vid JQI. "Vid behandling av kvantinformation, vi måste skydda varje enskild foton och se till att den inte går vilse på vägen. Vårt arbete kan lindra vissa former av förlust, även när enheten inte är helt perfekt. "

Designen är flexibel, och kan låta forskare systematiskt montera vägar för enstaka fotoner, säger Waks. "Ett sådant modulärt tillvägagångssätt kan leda till nya typer av optiska enheter och möjliggöra skräddarsydda interaktioner mellan kvantljusemitterare eller andra typer av materia."