Några av de mest avancerade kommunikationssystem som nu utvecklas förlitar sig på kvantvetenskapens egenskaper för att lagra och transportera information. Dock, forskare som utformar kvantkommunikationssystem som bygger på ljus, snarare än elektrisk ström, att överföra information står inför en fråga:De optiska komponenterna som lagrar och behandlar kvantinformation kräver vanligtvis fotoner i synligt ljus (partiklar av ljus) för att fungera. Dock, bara nära-infraröda fotoner-med våglängder cirka 10 gånger längre-kan transportera denna information över kilometer optiska fibrer.

Nu, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har utvecklat ett nytt sätt att lösa detta problem. För första gången, laget skapade kvantkorrelerade par som består av en synlig och en nära-infraröd foton med hjälp av chipbaserade optiska komponenter som kan massproduceras. Dessa fotonpar kombinerar det bästa från två världar:Partnerna i synligt ljus kan interagera med instängda atomer, joner, eller andra system som fungerar som kvantversioner av datorminne medan de nära infraröda medlemmarna i varje par är fria att sprida sig över långa avstånd genom den optiska fibern.

Prestationen lovar att öka ljusbaserade kretsars förmåga att säkert överföra information till avlägsna platser. NIST -forskare Xiyuan Lu, Kartik Srinivasan och deras kollegor vid University of Maryland NanoCenter i College Park, visade kvantkorrelation, känd som förträngning, med hjälp av ett specifikt par av synligt ljus och nära infraröda fotoner. Dock, forskarnas designmetoder kan enkelt tillämpas för att skapa många andra synliga ljus/nära-infraröda par skräddarsydda för att matcha specifika system av intresse. Dessutom, de optiska miniatyrkomponenterna som skapade förvirringarna tillverkas i stort antal.

Lu, Srinivasan och deras kollegor beskrev nyligen sitt arbete i Naturfysik .

En av de mer kontraintuitiva egenskaperna hos kvantmekaniken, kvantinvikling uppstår när två eller flera fotoner eller andra partiklar framställs på ett sätt som gör dem så inneboende anslutna att de beter sig som en enhet. En mätning som bestämmer kvanttillståndet för en av de intrasslade partiklarna bestämmer automatiskt tillståndet för den andra, även om de två partiklarna ligger på motsatta sidor av universum. Förträngning är kärnan i många kvantinformationssystem, inklusive kvantberäkning och kryptering.

I många situationer, de två fotoner som är intrasslade har liknande våglängder, eller färger. Men NIST -forskarna gick medvetet ut för att skapa udda par - intrassling mellan fotoner vars färger är mycket olika.

"Vi ville länka samman fotoner i synligt ljus, som är bra för att lagra information i atomsystem, och telekommunikationsfotoner, som är i det nära-infraröda och bra på att resa genom optiska fibrer med låg signalförlust, sa Srinivasan.

För att göra fotoner lämpliga för att interagera med de flesta kvantinformationslagringssystem, laget behövde också att ljuset höjdes kraftigt vid en viss våglängd i stället för att ha en bredare, mer diffus distribution.

För att skapa de intrasslade paren, laget konstruerade ett specialanpassat optiskt "viskningsgalleri"-en nanostorlek kiselnitridresonator som styr ljuset runt en liten racerbana, liknande hur ljudvågor reser obehindrat runt en krökt vägg som kupolen i St. Paul's Cathedral i London. I sådana krökta strukturer, känd som akustiska viskande gallerier, en person som står nära en del av väggen hör lätt ett svagt ljud från någon annan del av väggen.

När en vald våglängd av laserljus riktades in i resonatorn, intrasslade par av synligt ljus och nära infraröda fotoner växte fram. (Den specifika typen av intrassling som används i experimentet, känd som tidsenergiinvikling, förbinder energin hos fotonparen med den tidpunkt då de genereras.)

"Vi kom på hur vi konstruerade dessa viskande galleriresonatorer för att producera ett stort antal par vi ville ha, med mycket lite bakgrundsljud och annat främmande ljus, "Sade Lu. Forskarna bekräftade att trassel kvarstod även efter att telekommunikationsfotonerna reste genom flera kilometer optisk fiber.

I framtiden, genom att kombinera två av de intrasslade paren med två kvantminnen, den intrassling som är inneboende i fotonpar kan överföras till kvantminnen. Denna teknik, känd som trasselbyte, tillåter att minnen trasslar in varandra på ett mycket längre avstånd än vad som normalt skulle vara möjligt.

"Vårt bidrag var att ta reda på hur man gör en kvantljuskälla med rätt egenskaper som kan möjliggöra en sådan långväga sammanfiltring, "Sa Srinivasan.