베이징 양자 정보 연구소(Beijing Institute of Quantum Information): 섬유{0}}통합 주파수 변환을 사용하여 100km 이상의 양자 얽힘 분포 달성
1960년대 레이저의 출현으로 과학과 응용의 새로운 시대가 열렸습니다. 슈퍼마켓 코드 스캐닝부터 근시 수술까지, 전통적인 레이저 광자 조작 기술은 오랫동안 일상 생활에 통합되었습니다. 지난 20년 동안 과학자들은 "포논"(기계적 진동의 양자화된 에너지 단위)을 제어할 수 있는 새로운 레이저를 성공적으로 개발했습니다. 포논의 정밀한 제어는 얽힌 상태와 같은 독특한 양자 특성을 활용하는 등 레이저 기술에 더 많은 가능성을 가져올 것으로 기대됩니다.
미국 로체스터 대학교와 로체스터 공과대학 연구팀은 최근 나노미터 규모에서 포논을 고정밀로 제어할 수 있는-듀얼 모드 압축 포논 레이저를 개발했습니다.
연구팀은 Nature Communications 저널에 나노 규모 기계적 진동 양자(포논)를 활성화하여 레이저와 같은 일관된 출력을 유지하는 동시에 이중-모드 결합 및 비선형 냉각을 통해 열 잡음 압축을 달성하여 포논 레이저의 변동을 크게 줄이는 방법을 자세히 설명하는 관련 논문을 발표했습니다.
논문의 교신저자 중 한 명인 Nick Vamivakas 교수와 그의 협력자들은 2019년에 처음으로 포논 레이저를 시연했습니다. 그들은 광학 핀셋을 사용하여 진공에서 나노입자를 포착하고 부유시켰으며 기계적 진동을 통해 포논의 응집성 진동을 달성했습니다.
그러나 이 기술을 고정밀 측정에 사용하려면{0}}신호의 정확한 판독을 방해하는 간섭인 노이즈라는 주요 과제를 극복해야 했습니다. 이 문제는 광자 레이저와 포논 레이저 모두에 존재합니다.
"레이저는 육안으로 볼 때 안정적인 광선으로 보이지만 실제로는 변동이 많아 측정 과정에 노이즈가 발생할 수 있습니다." Nick Vamivakas는 "우리는 비선형 매개변수 냉각과 결합된 광학 핀셋 서스펜션 시스템의 두 진동 모드에 매개변수 결합 변조를 적용하여 포논 레이저 변동을 효과적으로 억제했습니다."라고 설명했습니다.
이 그림은 실험의 핵심 장치와 원리를 보여줍니다. (a) 광학 핀셋 서스펜션 시스템과 변조를 통해 두-모드 결합을 달성하는 방법을 보여줍니다. (b) 비대칭 전위 우물의 생성과 회전 결합 메커니즘을 설명합니다. ()는 듀얼-모드 압축을 달성하기 위한 물리적 기반인 에너지 레벨 다이어그램을 통해 두 주파수의 합을 구동 주파수로 사용하여 포논 하향-변환 프로세스를 시각적으로 나타냅니다.
연구팀의 핵심 혁신은 이중-모드 열역학적 압축을 실현한 것입니다. 광학 핀셋에 있는 부유 실리카 나노입자(직경 100nm)의 x와 y의 두 가지 직교 진동 모드에서 두 모드 주파수의 합이 결합 변조를 위한 구동 주파수로 사용됩니다. 동시에 비선형 매개변수 냉각과 결합되어 시스템이 안정화되어 포논 레이저의 고유한 열 잡음을 직접 압축하고 줄입니다.
Nick Vamivakas는 이러한 소음 억제 기능을 통해 시스템의 가속도 측정 정확도가 기존 광자 레이저 및 무선 주파수 파 측정 기술을 능가할 수 있다고 말했습니다.
