用于量子设备的超小型化非经典光源
发布时间：2023-04-21 08:00:00 阅读数： 63
缺陷对腔体特征频率的影响。(a) 微镜谐振器和二维光子晶体腔的示意图以及方位/纵向方向上相应的模式场强度。灰色的 "云 "代表一个缺陷。(b) 对特征频率ω的影响（红色箭头）。水平绿线显示了由上图（下图）缺陷引起的环形谐振器（PhC）共振频率的相同（不同）频谱移动δω ( δω,k )，取决于模式的空间分布。资料来源：IEEE《量子电子学选题》杂志（2022）。DOI: 10.1109/JSTQE.2022.3229164
光的非经典状态，如单光子和纠缠光子，是专门用于量子计算、量子传感、量子测量等芯片的关键成分。传统芯片的制造很难，但只要有数十亿美元的专业设备（和穿白色兔子服的人），就可以做到。量子芯片的制造就更难了。此外，还需要非线性光的来源，而使这些光源可被制造是至关重要的。
≈20微米的非经典光源的建造在 "光子晶体腔的经典谐振四波混合： 调谐、公差和缩放 "中展示了非经典光源的构造。该论文来自法国的四个角落和美国马里兰州的国家标准与技术研究所（NIST）。他们首先讨论了产生非经典光态的量子谐振器，如微镜和光子晶体（PhC）空腔。
研究人员做出了 "奇特 "的选择，即光子晶体，并开发了第一个在室温下运行的、带有微瓦级连续波泵的光学参量振荡器（OPO）。使用了磷化铟镓（InGaP），而不是硅。该测试车被设计成在电信光谱范围内工作，尽管发射光谱可以很容易地被设计出来。他们证明了制造过程的可重复性，以及使用非常低的泵浦功率（≈40微瓦）达到高效参数转换的能力，这是节约能源的一个关键。
该装置发射相关的光子，以及低于和接近阈值时的正交挤压真空，两者都是量子信息的资源。在阈值以上，OPO通过有效转换泵的功率发射相关的相干光束。这是本出版物的起始点。它是一个 "第二章"，提供了更多关于OPO的测量，并研究了诸如调谐、质量、公差和缩放等问题。
这篇发表在《IEEE量子电子学选题杂志》上的论文非常值得一读。来自泵衰变的光子、挤压的光、窃窃私语的画廊模式、退化的情况--经典的科幻小说。但是等等，一个情节的转折：时间-能量纠缠的光子对和 "温和 "禁锢的条件。哇哦。
用于量子计算的光子集成电路的令人愉快的语言掩盖了其严肃性。商务部实验室NIST的参与是有原因的。NIST负责监督网络安全技术。如果坏人在我们之前得到他们的量子芯片，那么他们就可以破解任何代码。正如作者所解释的那样，相对于今天的数字芯片，量子的优势在于晶体内的量子力学允许在涉及奇异的复杂数学时进行非指数式的扩展。
因此，我们又回到了光子晶体腔上。
论文的第二部分深入探讨了经典共振四波混合（FWM）的概念，这意味着FWM发生在一个只允许三个模式（在非退化情况下是四个）相互作用的腔体中。这里使用的 "经典 "是指哈密顿矩阵变换的细节（数学）。
当考虑到结构紊乱时，他们为他们选择的PhC腔体签证vie环形共振器辩护。他们展示了如何创建一个具有规定数量模式的谐振器，而不是更多。这很重要，因为额外的模式意味着共振器的体积更大。更重要的是，这些模式中的每一个都可以独立控制，也就是说，它们的频率间隔和质量系数可以设计成不同。
这将转化为对参数过程的卓越控制，确保只有所需的相互作用有效发生，从而抑制寄生效应。诚然，实际上实现这种程度的控制是极具挑战性的。
在第三部分，作者比较了三种几何形状的PhC多模谐振器的特性。光子晶体是由200纳米的In0.5Ga0.5P薄层和二维的孔图案组成。
第四节报告了对一批新器件的详细统计分析。作者表明，结构紊乱会诱发同一谐振器的模式的不相关的fluctuations。这里详细讨论了调谐机制。在第五部分，作者比较了11个OPO的参数振荡的理论和实验，在阈值和斜率效率方面有很好的一致性。
参考资料：Alexandre Chopin et al, Canonical Resonant Four-Wave-Mixing in Photonic Crystal Cavities : tuning, tolerances and scaling, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics (2022). DOI: 10.1109/JSTQE.2022.3229164
