"Photon in the microwave": pembuatan sistem dua tingkat foton yang terkontrol

"Kebahagiaan dapat ditemukan bahkan di masa gelap, jika kamu tidak lupa untuk beralih ke cahaya." Kata-kata ini diucapkan oleh tokoh fiksi yang jauh dari ilmu pengetahuan. Namun di dunia kita, para ilmuwan sering beralih ke cahaya untuk mencari kebahagiaan sejati mereka - penemuan baru. Dan apa cahayanya terdiri dari, sehingga bisa dikatakan? Dari foton. Partikel elementer ini telah menjadi dasar bagi banyak penemuan, teknologi, dan penelitian. Tetapi sampai hari ini, propertinya sama sekali tidak diketahui siapa pun. Tetapi ini tidak menghalangi ilmuwan untuk terus menggunakan foton dalam karya mereka, praktis atau teoretis. Hari ini kita akan berkenalan dengan studi tentang sistem foton, yang menurut para ilmuwan akan memungkinkan Anda untuk mendapatkan kontrol penuh atas energi dan fase foton. Untuk ini, perlu untuk menggunakan sifat-sifat sistem atom dan molekul, di mana kontrol atas keadaan elektron melalui medan elektromagnetik eksternal dimungkinkan. Bagaimana, mengapa dan mengapa - kita belajar dari laporan para peneliti. Ayo pergi.

Dasar studi

Faktor penting dalam kontrol elektro-optik yang koheren dari sistem foton dua tingkat adalah durasi foton, yang dalam semua keadaan energi harus lebih lama daripada yang diperlukan untuk transisi sederhana sistem dari satu keadaan ke keadaan lain. Untuk mencapai ini, perlu menggunakan metode kontrol elektro-optik. Namun, ada sejumlah kesulitan. Sistem optik besar dengan amplifier optik dapat mensimulasikan sistem dua tingkat klasik, tetapi koherensi kuantum foton hancur selama operasi. Jika Anda menggunakan platform fotonik terintegrasi tradisional, maka mereka tidak dapat menyediakan untuk keberadaan jangka panjang foton dan modulasi cepat. Karena itu, mereka juga tidak cocok untuk keperluan ilmuwan. Tetapi resonator yang didasarkan pada silikon dioksida (SiO ₂ ) atau silikon nitrida (Si ₃ N ₄ ) dapat dikontrol secara eksklusif secara elektrik melalui efek termal. Modulasi elektro-optik yang cepat disediakan oleh platform fotonik yang aktif secara elektrik berdasarkan silikon, graphene dan berbagai polimer. Ini adalah keuntungan yang jelas, tetapi masa pakai foton dalam sistem seperti itu sangat singkat jika dibandingkan dengan platform pasif elektrik.

Dan, seperti yang sering terjadi ketika tidak ada pekerja yang ada dan sesuatu yang efektif, para ilmuwan membuat versi mereka sendiri. Dalam hal ini, ini adalah sistem foton dua tingkat yang dapat dikontrol oleh sinyal microwave gigahertz.

Sistem ini adalah perangkat dengan dua cincin mikro lithium niobate (gambar c ), dengan diameter 80 μm. Penting untuk dicatat bahwa jarak antara cincin sangat kecil, seperti dapat dilihat pada gambar mikroskop elektron pemindaian ( a ).


Snapshots perangkat

Gambar di atas b menunjukkan penampang profil dari mode optik di resonator cincin. Tetapi d adalah snapshot dari array perangkat di atas pada satu chip.


Pengaturan eksperimental

Perangkat yang sedang diuji dipompa secara optikal oleh laser telekomunikasi yang dapat ditala (panjang gelombang 1630 nm). Cahaya yang melewati modulator elektro-optik (EO Mod) dan pengontrol polarisasi (PLC), memasuki chip melalui serat lensa. Sinyal optik keluar dikirim melalui serat ke photodetector 12 GHz. Setelah itu, sinyal listrik yang dikonversi dikirim ke osiloskop. Sinyal kontrol gelombang mikro dihasilkan oleh AWG (Generator Gelombang Sewenang-wenang), dan kemudian diperkuat dan dikirim ke perangkat. Untuk mengontrol arus searah, bias berbentuk-T (Bias T) digunakan.

Berkat kehilangan optik yang rendah dan co-integrasi elektroda microwave, para ilmuwan dapat mencapai bandwidth yang sangat mengesankan> 30 GHz, efisiensi modulasi 0,5 GHz / V dan kehidupan foton 2 ns.


Gambar No. 1

Sistem foton dua tingkat diimplementasikan karena sepasang resonator cincin-mikro optik yang identik dan saling berhubungan (pada gambar 1a ini adalah ω1 = ω2). Ikatan semacam itu membentuk molekul foton khusus dengan dua tingkat energi: mode simetris (S) dan mode asimetrik (AS). Dan medan gelombang mikro berinteraksi dengan sistem melalui efek Pockels yang kuat * .

Efek Pockels * - penampilan pembiasan cahaya ganda saat terpapar pada medan listrik konstan atau bolak-balik.

Konfirmasi dari dua tingkat energi adalah pengukuran transmisi optik (grafik 1c ).

Mode optik sendiri dibagi sebagai berikut: 2μ = 2π x 7 GHz. Dan garis spektral resonator untuk masing-masing adalah γ = 2π x 96 MHz, yang sesuai dengan faktor kualitas Q = 1,9 x 10 ⁶ . Indikator-indikator ini sekali lagi mengkonfirmasi stabilitas sistem dua tingkat fotonik yang diperoleh.

Instrumen utama untuk memonitor sistem adalah medan gelombang mikro yang koheren dengan gelombang kontinu. Para ilmuwan menunjukkan bahwa "format" kontrol seperti ini mirip dengan sistem dua tingkat atom. Tetapi ada perbedaan penting: dalam sistem foton, masing-masing dari dua level dapat mengisi lebih dari 1 foton.

Ketika frekuensi gelombang mikro bertepatan dengan perbedaan energi dari dua tingkat, koneksi yang stabil muncul antara dua mode (S dan AS), yang pada awalnya terpisah. Hal ini menyebabkan pemisahan tingkat energi, yang juga disebut efek Outler-Townes (gambar 2a ).


Gambar No. 2

Dalam sistem yang diuji, dimungkinkan untuk mengontrol amplitudo sinyal microwave, yang memungkinkan Anda untuk mengatur frekuensi pemisahan pada level beberapa gigahertz ( 2b ). Jika frekuensi gelombang mikro sangat terganggu dengan frekuensi transisi, efek dispersi muncul, sebanding dengan efek variabel Stark dalam sistem atom ( 2c ). Efek ini memungkinkan Anda untuk mengontrol tingkat kekuatan ikatan antara tingkat energi dari molekul fotonik yang diuji.


Gambar No. 3

Dua gambar atas menunjukkan dinamika spektral yang koheren dari molekul foton, lebih tepatnya, pengukuran osilasi Rabi di bawah efek gelombang mikro yang berbeda pada sistem: 3a - data eksperimen, dan 3b - data teoritis. Analisis data menunjukkan bahwa ada kontrol atas rentang frekuensi Rabi yang cukup luas.

Gambar 3c menunjukkan osilasi Rabi di bawah aksi gelombang mikro 1,1 V pada frekuensi 1,1 GHz, yang sesuai dengan sumbu nyata bola Bloch. Pada gilirannya, grafik 3d menunjukkan sinyal penguatan di photodetector, yang merupakan hasil dari gangguan Ramsey.

Dan sekarang kita beralih ke dimensi final, tetapi bukan yang paling tidak penting.

Dalam percobaan, para ilmuwan memutuskan untuk menggunakan konversi frekuensi kesatuan untuk melakukan tugas yang sangat penting dari setiap proses pemrosesan sinyal optik - penyimpanan dan ekstraksi foton sesuai permintaan.

Para ilmuwan mencatat bahwa menggunakan resonator statis dapat memperlambat proses perbanyakan foton, tetapi perlambatan seperti itu dibatasi oleh frekuensi resonator, oleh karena itu mereka tidak dapat dikendalikan.

Tetapi penggunaan resonator termodulasi secara dinamis tidak memiliki kelemahan seperti itu. Untuk mendapatkan kendali atas perekaman foton pada resonator dan pembacaan foton dari pandu gelombang eksternal, perlu untuk mengubah kekuatan kopling optik sebelum berakhirnya masa pakai foton dalam resonator.


Gambar No. 4

Untuk mencapai hal ini, bias DC 15 V diterapkan, yang memungkinkan untuk memformat ulang molekul fotonik menjadi sepasang mode "gelap" dan "cahaya". Mode cahaya terletak di cincin pertama ( 4a ). Karena dia masih memiliki akses ke pandu gelombang optik input, dia disebut cahaya optik. Mode gelap terletak di deringan kedua dan tidak terhubung dengan pandu gelombang, oleh karena itu disebut gelap secara optik. Namun, akses ke mode gelap dapat diperoleh dengan menerapkan radiasi gelombang mikro dengan frekuensi yang bertepatan dengan perbedaan antara dua mode optik. Proses ini mengarah pada pembentukan koneksi yang stabil antara mode-mode ini (grafik pada 4b ).

Penggunaan sinyal microwave dalam mode cahaya memungkinkan Anda untuk mengubahnya menjadi gelap ( 4s ). Ketika sinyal microwave dimatikan, foton tetap dalam mode gelap, sehingga mereka dipisahkan dari pandu gelombang. Setelah menganalisis intensitas pulsa optik yang diperoleh dalam mode gelap, dimungkinkan untuk menetapkan periode keberadaannya - 2 nanodetik, dan ini 2 kali lebih lama. dari mode cahaya ( 4d ).

Untuk studi rinci tentang penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan.

Epilog

Menurut para ilmuwan, penelitian ini dapat menjadi alat yang berguna dalam mempelajari lebih lanjut sifat-sifat foton dan metode penerapannya dalam transmisi data dan teknologi penyimpanan di masa depan.

Manipulasi seperti itu dengan foton masih sulit untuk diimplementasikan, meskipun mereka memiliki potensi besar. Teknik foton dua tingkat yang dikontrol ini (dan di masa depan, multi-level, menurut peneliti) sistem dapat diterapkan dalam perhitungan foton yang benar-benar baru, komputer kuantum dan fotonik topologi.

Terlepas dari semua kesulitan, para ilmuwan terus bermimpi tentang teknologi tinggi dan melakukan segalanya untuk membuat impian ini menjadi kenyataan. Bagaimanapun, tidak ada yang sempurna di dunia ini, yang berarti ada banyak yang dapat dan harus ditingkatkan.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (pilihan tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga Desember secara gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?