新型聲子介導片上光子隔離方案有望推動量子技術的小型化

光子的獨特性質出發,IQUIST 研究團隊設計了一種簡單、緊湊的光子電路。由發表於 2021 年 10 月 21 日出版的《自然光子學》雜誌上的一篇文章可知,其展示了一種隔離或控制光的方向性的強大方法。測量結果表明,其隔離方法優於此前所有片上替代方案,且針對原子基傳感器的兼容性實施了優化。

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伊利諾伊大學香檳分校(UIUC)研究團隊用鈮酸鋰製造了 780nm / 1550nm 波長的片上隔光器。(圖自:Ogulcan Orsel)

該校機械科學與工程(MechSe)教授 Gaurav Bahl 指出:“原子是自然界任何地方的完美參考,並且為許多量子應用奠定了基礎”。

目前用於控制原子的激光器,需要藉助隔離器來阻擋不必要的反射。然而此前在大規模實驗中運行良好的隔離器,已被證明難以進一步小型化。

即使在最佳情況下,光也很難被駕馭 —— 它會在遇到各種表面時被反射、吸收和折射。

只需一面鏡子,就可將光線送回原處。一塊玻璃的碎片,就會在光線通過的同時造成彎曲。

更別提深色的岩石,會吸收光線並將之轉化為熱量。

換言之,光會自然地從其路徑上的任何地方地方散射出去。但也正是這種“耿直”的特性,讓我們即使在黑暗中也能尋找到一絲光明。

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研究配圖 – 1:具有手性吸收劑的光隔離器(來自:Nature)

尷尬的是,在大型量子設備中對光路進行控制,通常是一項極其艱巨的任務,其中涉及到大量的鏡面、透鏡、光纖等組件。想要實現整體裝置的小型化,自然也要從多方面着手。

好消息是,過去幾年,科學家和工程師們已經各種微芯片上的光控制元件設計方面取得了長足的發展。比如通過製造波導(光傳輸通道),我們甚至能夠利用某些材料來改變其顏色。

然而要迫使微小光點(光子)沿單向移動、同時抑制不需要的向後反射,迄今依然相當棘手。

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研究配圖 – 2:基於聲子介導的 p-ATS 隔離器的實現和表徵。

研究一作 Benjamin Sohn 表示:“隔離器是一類允許光以某種方式不間斷通過、並在相反路徑上完全阻止它的特殊裝置”。

僅使用常規介電材料或玻璃的話,我們是無法實現這種單向性的。為此,IQUIST 團隊開闢了更具創新性的研究路線,並希望隔離器可調諧到原子傳感器的光波長下運行。

雖然在現階段,其在大規模裝置下也很難實現。但與典型實驗中使用的磁鐵工具相比,聲子介導方案還是具有相當獨特的優勢。

例如,幾乎每個激光器都配有一個磁光隔離器,以防止光子離開時向後傳播。儘管激光器本體也可做到小型化,但傳統隔離器還是由兩方面的問題。

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研究配圖 – 3:隔離器在 1,550 和 780 nm 附近的實驗演示

首先,在緊湊型設備中,磁場會對附近的原子產生負面影響。其次,即使有辦法解決這個問題,隔離器內部的材料,在較小的芯片尺度上也無法良好地工作。

好消息是,Gaurav Bahl 團隊剛剛展示了一種新穎的非磁性光隔離器,並且證明了它的設計相當簡潔、使用了常見的光學材料、且很容易適應不同波長的光。

我們想要設計一種自然避免損耗的設備,而最好的方法,就是別讓光子穿透任何物體。

這樣可讓它繼續沿着受控路徑,且波導方案的實現很是簡單,因為它是光子電路中非常基礎的一款組件。

在一套完整的基於原子的系統中,波導會引導激光通過一系列元素、最終到達一個包含原子的小室。

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研究配圖 – 4:裝扮狀態下的非互易性光隔離演示

有鑒於此,IQUIST 團隊優化了他們的芯片,以使用 780 nm 光 —— 這也是基於銣的傳感器所需的最常見波長。

不過着只是整體設計的“前半部分”,畢竟為了隔離,我們還必須在相反方向阻擋光線。此前,該團隊已經展示了他們可以將聲波發射到光子電路中、以打破對稱光流。

而在新研究中,研究人員又將這一設想轉化為功能芯片原件的演示。可知完整光隔離器包含一個波導 + 相鄰的環形諧振器,整體看起來像是一條長方形的跑道。

通常無論光是從哪個方向射入的,都會經由波導進入諧振器,從而阻擋所有光流。但當研究人員將聲波施加到環上時,諧振器就只捕獲通過波導向後移動的光。

在前進方向上,光會暢通無阻地通過波導,就像諧振器根本不存在那裡一樣。測量結果表明,幾乎每個光子都向前移動通過波導,而向後移動的幾率低至萬分之一。

這意味着該設計已將損耗(不需要的光吸收)降低到了接近於零的水平,有效化解了此前片上隔離器長期存在的難題。