För att behandla information, fotoner måste interagera. Dock, dessa små ljuspaket vill inget ha med varandra att göra, var och en går förbi utan att ändra den andra. Nu, forskare vid Stevens Institute of Technology har tvingat fotoner till att interagera med varandra med oöverträffad effektivitet-ett viktigt framsteg mot att förverkliga efterlängtade kvantoptiska tekniker för datorer, kommunikation och fjärranalys.

Laget, ledd av Yuping Huang, docent i fysik och chef för Center for Quantum Science and Engineering, för oss närmare det målet med ett nanoskala-chip som underlättar fotoninteraktioner med mycket högre effektivitet än något tidigare system. Den nya metoden, redovisas som en promemoria i 18 september -numret av Optica , fungerar på mycket låga energinivåer, föreslår att det kan optimeras för att arbeta på nivå med enskilda fotoner-den heliga gralen för kvantberäkning vid rumstemperatur och säker kvantkommunikation.

"Vi skjuter gränserna för fysik och optisk teknik för att föra kvant- och heloptisk signalbehandling närmare verkligheten, sa Huang.

För att uppnå detta framsteg, Huangs team avfyrade en laserstråle i en tävlingsbana-formad mikrokavitet huggen i en kristallskiva. När laserljuset studsar runt banan, dess begränsade fotoner interagerar med varandra, producerar en harmonisk resonans som får en del av det cirkulerande ljuset att ändra våglängd.

Det är inte ett helt nytt trick, men Huang och kollegor, inklusive doktorand Jiayang Chen och senior forskare Yong Meng Sua, ökade sin effektivitet dramatiskt genom att använda ett chip tillverkat av litiumniobat på isolatorn, ett material som har ett unikt sätt att interagera med ljus. Till skillnad från kisel, litiumniobat är svårt att kemiskt etsa med vanliga reaktiva gaser. Så, Stevens team använde ett jonfräsverktyg, i huvudsak en nanosandblaster, att etsa en liten tävlingsbana ungefär en hundradel bredden på ett människohår.

Innan du definierar banan struktur, laget behövde applicera högspännings elektriska pulser för att skapa noggrant kalibrerade områden med alternerande polaritet, eller periodisk polering, som skräddarsyr hur fotoner rör sig runt racerbanan, öka sannolikheten för att interagera med varandra.

Chen förklarade att både etsa racerbanan på chipet och skräddarsy hur fotoner rör sig runt det, kräver dussintals känsliga nanofabrication -steg, var och en kräver nanometerprecision. "Som vi förstår det, Vi är bland de första grupperna som behärskar alla dessa nanofabrication -steg för att bygga detta system - det är anledningen till att vi kunde få detta resultat först. "

Går vidare, Huang och hans team strävar efter att öka kristallbanans förmåga att begränsa och återcirkulera ljus, känd som dess Q-faktor. Teamet har redan identifierat sätt att öka sin Q-faktor med en faktor på minst 10, men varje nivå upp gör systemet mer känsligt för omärkliga temperaturfluktuationer-några tusen grader-och kräver noggrann finjustering.

Fortfarande, Stevens-teamet säger att de håller på med ett system som kan generera interaktioner på enfotonnivå på ett tillförlitligt sätt, ett genombrott som skulle möjliggöra skapandet av många kraftfulla kvantberäkningskomponenter, såsom fotoniklogikportar och intrasslingskällor, som längs en krets, kan hitta flera lösningar på samma problem samtidigt, tänkbart tillåter beräkningar som kan ta år att lösa på några sekunder.

Vi kan fortfarande vara ett tag från den punkten, Chen sa, men för kvantforskare blir resan spännande. "Det är den heliga gralen, "sa Chen, tidningens huvudförfattare. "Och på vägen till den heliga gralen, vi inser mycket fysik som ingen har gjort tidigare. "