頻率微梳是專門的光源，可以作為光基時鐘、標尺和傳感器，高精度地測量時間、距離和分子組成。斯坦福大學的新研究為調查這些光源的量子特性提供了一個新工具。
與我們日常生活中周圍的光所產生的雜亂無章的頻率不同，被稱為“孤子”頻率梳的專門光源中的每個頻率都在統一振蕩，產生具有一致時間的單獨脈衝。
這種頻率梳的每個“齒”是不同顏色的光，間隔如此精確，以至於這個系統被用來測量各種現象和特性。目前正在開發的這些頻率梳的微型版本（稱為微梳）有可能提高無數技術，包括GPS系統、電信、自主車輛、溫室氣體追蹤、航天器自主性和超精確計時。
斯坦福大學電氣工程師Jelena Vučković的實驗室最近才加入微梳研究領域。“許多小組已經展示了各種材料的片上頻率梳，包括最近我們的團隊在碳化硅中的頻率梳。然而，直到現在，頻率梳的量子光學特性一直是難以捉摸的，”斯坦福大學工程學院Jensen Huang全球領導力教授和電氣工程教授Vučković說。“我們想利用我們小組的量子光學背景來研究孤子微梳的量子特性。”
雖然其他實驗室已經製造了“孤子”微梳，但斯坦福大學的研究人員是第一批研究該系統的量子光學特性的人，他們在2021年12月16日發表在《自然-光子學》上的一篇論文中概述了這一過程。當成對創建時，“孤子”微梳被認為表現出糾纏–這是一種粒子之間的關係，即使在不可思議的距離內也能相互影響，這支撐着我們對量子物理的理解，也是所有擬議的量子技術的基礎。
Vučković的納米和量子光子學實驗室的研究科學家、該論文的共同作者Kiyoul Yang說：“這是首次證明這種小型化頻率梳可以在芯片上產生有趣的量子光–非經典光。這可以為利用頻率梳和光子集成電路進行大規模實驗的量子光的更廣泛探索開闢一條新途徑。”
為了證明他們的工具的實用性，研究人員還提供了“孤子”微梳內的量子糾纏的令人信服的證據，這已經被理論化和假設了，但還沒有被任何現有的研究證明。
納米級和量子光子學實驗室的研究生、該論文的共同作者Melissa Guidry說：“我真的希望看到孤子對量子計算變得有用，因為它是一個高度研究的系統。我們目前有很多技術可以在芯片上以低功率產生孤子，所以如果能夠利用這一點並顯示你有糾纏，那將是令人興奮的。”
前斯坦福大學物理學教授Theodor W. Hänsch因其開發第一個頻率梳的工作而在2005年獲得諾貝爾獎。要創造Hänsch研究的東西，需要複雜的、桌面大小的設備。相反，這些研究人員選擇專註於較新的”微型”版本，即系統的所有部分都集成到一個單一的設備中，並設計成適合在一個微芯片上。這種設計節省了成本、尺寸和能源。
為了創造他們的微梳，研究人員將激光穿過一個碳化硅的微環（這是利用斯坦福納米共享設施和斯坦福納米加工設施的資源精心設計和製造的）。繞着環走，激光建立起強度，如果一切順利，一個孤子就誕生了。
納米級和量子光子學實驗室的研究生、該論文的共同作者Daniil Lukin說：“令人着迷的是，你不需要有這種花哨、複雜的機器，而只需要一個激光泵和一個非常小的環，就可以產生同樣的專門的光。”他補充說，在芯片上生成的微梳使得齒間的間距很寬，這是朝着能夠觀察到梳子更精細的細節邁出的一步。
接下來的步驟涉及到能夠檢測到光的單一粒子的設備，並將微環與幾個孤子“打包”，形成一個孤子晶體。“有了孤子晶體，你可以看到在齒間實際上有更小的光脈衝，這就是我們測量推斷糾纏結構的東西，”Guidry解釋說。“如果你把探測器停在那裡，你可以很好地觀察有趣的量子行為，而不會被構成齒的相干光所淹沒。”
看到他們正在對這個系統的量子方面進行一些首次實驗研究，研究人員決定嘗試確認一個理論模型，稱為線性化模型，它通常被用作描述複雜量子系統的捷徑。當他們進行對比時，他們驚訝地發現，實驗與理論非常吻合。因此，雖然他們還沒有直接測量出他們的微梳子具有量子糾纏，但他們已經證明其性能與暗示糾纏的理論相匹配。
Lukin表示：“得到的信息是，這為理論家做更多的理論打開了大門，因為現在，有了這個系統，就有可能通過實驗來驗證這項工作。”
證明和使用量子糾纏
數據中心的微梳可以提高數據傳輸的速度；在衛星上，它們可以提供更精確的GPS或分析遙遠物體的化學成分。Vučković團隊對孤子在某些類型的量子計算中的潛力特別感興趣，因為據預測，孤子一經產生就會產生高度糾纏。
有了他們的平台，以及從量子角度研究它的能力，納米和量子光子學實驗室的研究人員對他們下一步可以做什麼保持着開放的態度。在他們的想法中，最重要的是對他們的系統進行測量，以明確證明量子糾纏的可能性。