"Photon dans le micro-ondes": la création d'un système à deux niveaux de photons contrôlés

"Le bonheur peut être trouvé même dans les temps sombres, si vous n'oubliez pas de vous tourner vers la lumière." Ces mots ont été prononcés par un personnage de fiction assez éloigné de la science. Mais dans notre monde, les scientifiques se tournent souvent vers la lumière à la recherche de leur vrai bonheur - de nouvelles découvertes. Et en quoi consiste la lumière, pour ainsi dire? Des photons. Cette particule élémentaire est devenue la base de nombreuses découvertes, technologies et recherches. Mais à ce jour, ses propriétés ne sont complètement inconnues de personne. Mais cela n'empêche pas les scientifiques de continuer à utiliser des photons dans leurs travaux, pratiques ou théoriques. Aujourd'hui, nous nous familiariserons avec l'étude du système photonique qui, selon les scientifiques, vous permettra d'avoir un contrôle complet sur l'énergie et la phase des photons. Pour cela, il est nécessaire d'utiliser les propriétés des systèmes atomiques et moléculaires, où le contrôle de l'état des électrons au moyen d'un champ électromagnétique externe est possible. Comment, pourquoi et pourquoi - nous apprenons du rapport des chercheurs. Allons-y.

Base d'étude

Un facteur important dans le contrôle électro-optique cohérent d'un système de photons à deux niveaux est la durée du photon, qui dans tous les états d'énergie devrait être beaucoup plus longue que celle requise pour une simple transition du système d'un état à un autre. Pour ce faire, il est nécessaire d'utiliser des méthodes de contrôle électro-optiques. Cependant, il existe un certain nombre de difficultés. Les grands systèmes optiques avec amplificateurs optiques peuvent simuler un système classique à deux niveaux, mais la cohérence quantique des photons est simplement détruite pendant le fonctionnement. Si vous utilisez des plates-formes photoniques intégrées traditionnelles, elles ne peuvent pas prévoir l'existence à long terme d'un photon et d'une modulation rapide. Par conséquent, ils ne conviennent pas non plus aux besoins des scientifiques. Mais les résonateurs à base de dioxyde de silicium (SiO ₂ ) ou de nitrure de silicium (Si ₃ N ₄ ) peuvent être commandés exclusivement électriquement par effet thermique. La modulation électro-optique rapide est fournie par des plates-formes photoniques électriquement actives à base de silicium, de graphène et de divers polymères. C'est un avantage évident, mais la durée de vie des photons dans de tels systèmes est extrêmement courte par rapport aux plates-formes électriquement passives.

Et, comme cela arrive souvent quand il n'y a pas de travailleur existant et quelque chose d'efficacité, les scientifiques créent leur propre version. Dans ce cas, il s'agit d'un système de photons à deux niveaux qui peut être contrôlé par des signaux micro-ondes gigahertz.

Ce système est un appareil à deux micro-anneaux de niobate de lithium (image c ), dont les diamètres sont de 80 μm. Il est important de noter que la distance entre les anneaux est extrêmement petite, comme on peut le voir sur l'image d'un microscope électronique à balayage ( a ).


Instantanés de l'appareil

L'image ci-dessus b montre la section transversale du profil du mode optique dans le résonateur en anneau. Mais d est un instantané de la matrice des périphériques ci-dessus sur une seule puce.


Configuration expérimentale

Le dispositif testé est pompé optiquement par un laser de télécommunication accordable (longueur d'onde 1630 nm). La lumière traversant un modulateur électro-optique (EO Mod) et des contrôleurs de polarisation (PLC) pénètre dans la puce par une fibre optique. Le signal optique sortant est envoyé à travers une fibre vers le photodétecteur 12 GHz. Après cela, le signal électrique converti est envoyé à l'oscilloscope. Les signaux de contrôle des micro-ondes sont générés par AWG (Arbitrary Waveform Generator), puis amplifiés et envoyés à l'appareil. Pour contrôler le courant continu, une polarisation en forme de T (biais T) a été utilisée.

Grâce à la faible perte optique et à la co-intégration des électrodes micro-ondes, les scientifiques ont pu atteindre une bande passante très impressionnante de> 30 GHz, une efficacité de modulation de 0,5 GHz / V et une durée de vie des photons de 2 ns.


Image n ° 1

Un système de photons à deux niveaux est mis en œuvre grâce à une paire de résonateurs à micro-anneaux optiques identiques et interconnectés (dans l'image 1a, c'est ω1 = ω2). Une telle liaison forme une molécule de photons particulière avec deux niveaux d'énergie: le mode symétrique (S) et le mode asymétrique (AS). Et le champ micro-ondes interagit avec le système grâce au fort effet Pockels * .

L'effet Pockels * - l'apparition d'une double réfraction de la lumière lorsqu'elle est exposée à un champ électrique constant ou alternatif.

La confirmation des deux niveaux d'énergie est la mesure de la transmission optique (graphique 1c ).

Les modes optiques eux-mêmes sont répartis comme suit: 2μ = 2π x 7 GHz. Et la raie spectrale du résonateur pour chacun est γ = 2π x 96 MHz, ce qui correspond au facteur de qualité Q = 1,9 x 10 ⁶ . Ces indicateurs confirment une fois de plus la stabilité du système photonique à deux niveaux obtenu.

Le principal instrument de surveillance du système est un champ micro-ondes cohérent avec une onde continue. Les scientifiques soulignent qu'un tel «format» de contrôle est similaire aux systèmes atomiques à deux niveaux. Mais il y a une différence importante: dans le système photonique, chacun des deux niveaux peut remplir plus d'un photon.

Lorsque la fréquence micro-ondes coïncide avec la différence d'énergie des deux niveaux, une connexion stable apparaît entre les deux modes (S et AS), qui étaient initialement séparés. Cela conduit à la division des niveaux d'énergie, également appelée effet Outler-Townes (image 2a ).


Image n ° 2

Dans le système testé, il est possible de contrôler l'amplitude des signaux micro-ondes, ce qui vous permet de régler la fréquence de séparation à un niveau de plusieurs gigahertz ( 2b ). Si la fréquence micro-ondes est très perturbée par la fréquence de transition, un effet de dispersion apparaît, comparable à l'effet Stark variable dans les systèmes atomiques ( 2c ). Cet effet vous permet de contrôler le degré de force de liaison entre les niveaux d'énergie de la molécule photonique testée.


Image n ° 3

Les deux images supérieures montrent la dynamique spectrale cohérente de la molécule de photon, plus précisément, les mesures des oscillations Rabi sous différents effets micro-ondes sur le système: 3a - données expérimentales, et 3b - données théoriques. L'analyse des données montre qu'il existe un contrôle sur une gamme assez large de fréquences Rabi.

La figure 3c montre l'oscillation de Rabi sous l'action des micro-ondes de 1,1 V à une fréquence de 1,1 GHz, ce qui correspond à l'axe réel de la sphère de Bloch. À son tour, le graphique 3D montre les signaux d'amplification au photodétecteur, qui sont le résultat d'interférences Ramsey.

Et maintenant, nous passons à la dimension finale, mais non la moins importante.

Dans l'expérience, les scientifiques ont décidé d'utiliser une conversion de fréquence unitaire pour effectuer une tâche très importante de tout processus de traitement des signaux optiques - le stockage et l'extraction de photons à la demande.

Les scientifiques notent que l'utilisation d'un résonateur statique peut ralentir le processus de propagation des photons, mais un tel ralentissement est limité par les fréquences du résonateur, ils ne peuvent donc pas être contrôlés.

Mais l'utilisation d'un résonateur à modulation dynamique ne présente pas de tels inconvénients. Afin de contrôler l’enregistrement des photons sur le résonateur et la lecture des photons à partir d’un guide d’ondes externe, il est nécessaire de modifier la force de couplage optique avant l’expiration de la durée de vie du photon dans le résonateur.


Image n ° 4

Pour y parvenir, une polarisation CC de 15 V a été appliquée, ce qui a permis de reformater la molécule photonique en une paire de modes «sombre» et «clair». La mode légère est située dans le premier anneau ( 4a ). Puisqu'elle a toujours accès au guide d'onde optique d'entrée, elle est appelée optiquement légère. Le mode sombre est situé dans le deuxième anneau et n'est pas connecté au guide d'onde; par conséquent, il est appelé optiquement sombre. Cependant, l'accès au mode sombre peut être obtenu en appliquant un rayonnement micro-ondes avec une fréquence qui coïncide avec la différence entre les deux modes optiques. Ce processus conduit à la formation d'une connexion stable entre ces modes (graphiques sur 4b ).

L'utilisation d'un signal micro-ondes en mode clair vous permet de le convertir en sombre ( 4s ). Lorsque le signal micro-ondes est désactivé, les photons restent en mode sombre, ils sont donc séparés du guide d'onde. Après avoir analysé l'intensité des impulsions optiques obtenues en mode sombre, il a été possible d'établir la période de son existence - 2 nanosecondes, ce qui est 2 fois plus long. que le mode lumière ( 4d ).

Pour une connaissance détaillée de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques.

Épilogue

Selon les scientifiques, cette étude peut être un outil utile pour poursuivre l'étude des propriétés des photons et des méthodes de leur application dans les futures technologies de transmission et de stockage des données.

De telles manipulations avec des photons sont encore difficiles à mettre en œuvre, bien qu'elles aient un grand potentiel. Cette technique d'un système à deux niveaux de photons contrôlés (et, à l'avenir, à plusieurs niveaux, selon les chercheurs) peut être appliquée à de tout nouveaux calculs de photons, ordinateurs quantiques et photonique topologique.

Malgré toutes les difficultés, les scientifiques continuent de rêver de haute technologie et font tout pour que ces rêves deviennent réalité. Après tout, rien n'est parfait dans ce monde, ce qui signifie qu'il y a beaucoup à faire et à améliorer.

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