Устройство, описанное в журнале Science, позволяет квантовому свету плавно перемещаться, не подвергаясь воздействию определенных препятствий.«Эта конструкция включает в себя хорошо известные идеи, которые защищают прохождение тока в определенных электрических устройствах», — говорит Хафези. «Здесь мы создаем аналогичную среду для фотонов, которая защищает целостность квантового света даже при наличии определенных дефектов».
Чип начинается с фотонного кристалла, который представляет собой признанную универсальную технологию, используемую для создания проезжей части света. Они сделаны путем пробивания отверстий в листе полупроводника. Для фотонов повторяющийся узор отверстий очень похож на настоящий кристалл, состоящий из сетки атомов. Исследователи используют различные схемы отверстий, чтобы изменить способ изгиба и отражения света в кристалле.
Например, они могут изменять размеры отверстий и расстояния между ними, чтобы создать ограниченные полосы движения, которые позволяют пропускать одни светлые цвета, но запрещают другие.Иногда даже в этих тщательно изготовленных устройствах есть недостатки, которые изменяют предполагаемый путь света, заставляя его отклоняться в неожиданном направлении.
Но вместо того, чтобы избавлять свои чипы от всех недостатков, команда JQI смягчает эту проблему, переосмысливая формы отверстий кристалла и узор кристалла. В новом чипе они вытравливают тысячи треугольных отверстий в виде массива, напоминающего пчелиные соты. Вдоль центра устройства они изменяют расстояние между отверстиями, что открывает для света другую полосу движения.
Ранее эти исследователи предсказывали, что фотоны, движущиеся вдоль этой линии смещенных дырок, должны быть непроницаемыми для определенных дефектов из-за общей кристаллической структуры или топологии. Независимо от того, является ли полоса поворотной дорогой или прямой, путь света от исходной точки до пункта назначения должен быть гарантирован, независимо от деталей дороги.
Свет исходит от небольших пятен полупроводника — так называемых квантовых излучателей — встроенных в фотонный кристалл. Исследователи могут использовать лазеры, чтобы заставить этот материал испускать одиночные фотоны.
Каждый излучатель может получать энергию, поглощая лазерные фотоны, и терять энергию, позже выплевывая эти фотоны по одному. Фотоны, исходящие из двух наиболее энергичных состояний одного излучателя, имеют разные цвета и вращаются в противоположных направлениях. Для этого эксперимента команда использует фотоны из излучателя, находящегося рядом с центром чипа.
Команда проверила возможности чипа, сначала изменив квантовый излучатель с самого низкого энергетического состояния на одно из двух его более высоких энергетических состояний. После того, как вы снова расслабитесь, излучатель выбрасывает фотон на близлежащую дорожку для путешествий. Они продолжали этот процесс много раз, используя фотоны из двух состояний с более высокой энергией.
Они увидели, что фотоны, испускаемые из двух состояний, предпочитали двигаться в противоположных направлениях, что свидетельствовало о лежащей в основе топологии кристалла.Чтобы подтвердить, что конструкция действительно может предложить защищенные полосы движения для одиночных фотонов, команда создала 60-градусный поворот в схеме отверстий.
В типичных фотонных кристаллах без встроенных защитных функций такой перегиб, вероятно, приведет к тому, что часть света будет отражаться назад или рассеиваться в другом месте. В этом новом чипе топология защищала фотоны и позволяла им беспрепятственно продолжать свой путь.«В Интернете информация перемещается в световых пакетах, содержащих много фотонов, и потеря нескольких не причинит вам слишком большого вреда», — говорит соавтор Сабиасачи Барик, аспирант JQI. «При квантовой обработке информации мы должны защищать каждый отдельный фотон и следить за тем, чтобы он не потерялся по пути. Наша работа может уменьшить некоторые формы потерь, даже если устройство не совсем идеально».
«Конструкция является гибкой и может позволить исследователям систематически создавать пути для одиночных фотонов», — говорит Вакс. «Такой модульный подход может привести к новым типам оптических устройств и обеспечить индивидуальные взаимодействия между квантовыми излучателями света или другими видами материи».