Los ingenieros resuelven fotones individuales 70 veces más rápido que otras técnicas

La luz está hecha de fotones de partículas cuánticas, que se han utilizado durante mucho tiempo para transmitir y procesar información en el mundo actual. En el futuro también jugará un papel crucial en el procesamiento de la información en la futura generación de dispositivos cuánticos.

Pero las técnicas para controlar las propiedades espectrotemporales de los estados cuánticos de la luz en escalas de tiempo ultrarrápidas son importantes para numerosas aplicaciones en la ciencia de la información cuántica.

En un estudio reciente, los ingenieros de Universidad de Colombia demostró una ruta alternativa para procesar formas de onda de un solo fotón a escala de picosegundos usando una lente de tiempo. Esto les ayudará a tomar el control de cada fotón.

Su trabajo fue publicado en Optica.

“Al igual que una lupa ordinaria puede hacer zoom en algunos fenómenos espaciales que de otro modo no podrías ver, una lente de tiempo te permite resolver detalles en una escala temporal”, dijo Chaitali Joshi, el primer autor del trabajo y ex Ph. .D. estudiante en el laboratorio de Alexander Gaeta.

“El procesamiento de información cuántica fotónica (QIP) que utiliza modos temporales de luz requiere una manipulación y detección coherentes de formas de onda temporales de escala de picosegundos y subpicosegundos en el nivel de un solo fotón. Esta remodelación coherente de las propiedades espectrotemporales de las formas de onda ópticas cuánticas también es necesaria para varias aplicaciones, como el almacenamiento y la recuperación eficientes de paquetes de ondas de un solo fotón de memorias cuánticas y cavidades fotónicas basadas en materia, coincidencia de modos temporales para redes cuánticas, control del tiempo -entrelazamiento de frecuencia en escalas de tiempo ultrarrápidas y la generación de luz comprimida de gran ancho de banda”. Menciones de estudio.

Un láser es un haz enfocado de numerosos fotones que oscilan a través del espacio a una frecuencia particular, mientras que la lente del tiempo permitió a los investigadores seleccionar partículas individuales de luz más rápido que nunca.

Configuración experimental:

La configuración experimental consta de dos rayos láser que se “mezclan” con un fotón de señal para crear otro paquete de luz a una frecuencia diferente. Con su lente de tiempo, Joshi y sus colegas pudieron identificar fotones individuales de un haz más grande con una resolución de picosegundos. Eso es 10-12 de segundo y alrededor de 70 veces más rápido de lo que se ha observado con otros detectores de fotones individuales, dijo Joshi. Tal lente de tiempo permite resolver temporalmente fotones individuales con una precisión que no se puede lograr con los detectores de fotones actuales.

Camino de remodelación a lo largo del cual viajó el fotón

Además de ver fotones individuales, el equipo también puede manipular sus espectros (es decir, sus colores compuestos), remodelando el camino por el que viajaron. Este es un paso importante para construir redes de información cuántica. “En una red de este tipo, todos los nodos deben poder comunicarse entre sí. Cuando esos nodos son fotones, necesita que coincidan sus anchos de banda espectrales y temporales, lo que podemos lograr con una lente de tiempo”, dijo Joshi.

“Nuestro marco basado en lentes de tiempo representa un nuevo conjunto de herramientas para el procesamiento espectrotemporal arbitrario de fotones individuales, con aplicaciones en procesamiento cuántico de modo temporal, distribución de clave cuántica de alta dimensión, coincidencia de modo temporal para redes cuánticas y detección cuántica mejorada con estados entrelazados de tiempo-frecuencia”. menciones de autores.

Perspectivas de futuro

En el futuro, el laboratorio de Gaeta espera reducir aún más la resolución de tiempo en más de un factor de tres y continuará explorando cómo pueden controlar los fotones individuales. “Con nuestra lente de tiempo, el ancho de banda se puede ajustar a cualquier aplicación que tenga en mente: solo necesita ajustar la ampliación”, dijo Joshi. Las aplicaciones potenciales incluyen procesamiento de información, distribución de claves cuánticas, detección cuántica y más.

Por ahora, el trabajo se realiza con fibras ópticas, aunque el laboratorio espera algún día incorporar lentes de tiempo en chips fotónicos integrados, como chips electrónicos, y escalar el sistema a muchos dispositivos en un chip para permitir el procesamiento de muchos fotones simultáneamente.

Referencia de la revista

  1. Chaitali Joshi, Ben M. Sparkes, Alessandro Farsi, Thomas Gerrits, Varun Verma, Sven Ramelow, Sae Woo Nam y Alexander L. Gaeta. Lente de tiempo de fotón único con resolución de picosegundos para procesamiento cuántico en modo temporal. ÓPTICO vol. 9, número 4, págs. 364-373 (2022) DOI: 10.1364 / OPTICA.439827

Leave a Reply

Your email address will not be published.

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.