Лазерне джерело частотної гребінки на принципі квантового блукання
Лазерне джерело частотної гребінки на принципі квантового блукання
Дослідники з ETH Zürich у Швейцарії перетворили лазер у мікрочипі, який випромінює світло однієї частоти, на лазер, який випромінює світло в широкому діапазоні частот. Новий пристрій з оптичною частотною гребінкою, який працює завдяки процесу, відомому як квантове блукання, може бути використаний для створення мініатюрних оптичних датчиків для екологічного та медичного моніторингу та для збільшення швидкості передачі даних у телекомунікаціях.
За основу взяли квантово-каскадний лазер, інтегрований у мікрочип. Цей пристрій є мікрокільцевою структурою, що складається з шарів арсенідів галію, індію та алюмінію. Кільце обмежує та направляє світло, а коли його підключити до джерела електричного струму, електрони в ньому швидко перестрибують через різні шари, випромінюючи каскад фотонів. Коли фотони циркулюють у кільці, вони помножуються і утворюється когерентне лазерне світло однієї частоти.
Проте виявилось, що якщо збуджувати цю систему додатковим змінним струмом певної резонансної частоти, то випромінюване світло перетворюється з одночастотного на багаточастотне за кілька наносекунд. Примітно, що перед стабілізацією своєї остаточної форми спектр випромінюваного світла нагадує результат так званого квантового блукання.
Вперше запропоноване фізиком і лауреатом Нобелівської премії Річардом Фейнманом квантове блукання дуже відрізняється від класичного випадкового блукання, яке зазвичай використовується для моделювання поведінки фізичних систем, починаючи від коливань фондових ринків і закінчуючи броунівським рухом. Класичне випадкове блукання працює як мандрівник, який обирає свої наступні кроки відповідно до підкинутої монети: якщо, наприклад, монета впаде на «герб», він робить крок ліворуч, а коли «цифра» — праворуч. Після багатьох підкидань монети позиція мандрівника буде випадковою, але ймовірно близькою до вихідної точки. У квантовому блуканні квантова частинка фактично рухається в обох напрямках одночасно після кожного підкидання, приймаючи когерентну суперпозицію справа і зліва. Іншими словами, на відміну від класичного випадкового блукання, де мандрівник займає певні стани, а випадковість виникає через стохастичні переходи між станами, у квантовому блуканні випадковість виникає через квантову суперпозицію станів, невипадкову, оборотну унітарну еволюцію та колапс хвильової функції через вимірювання стану.
У новому пристрої це квантове блукання дає чудовий результат: утворюється спектр, схожий на оптичну гребінку. Оптичні частоти знаходяться на однаковій відстані одна від одної, а їхня кількість задається частотою й амплітудою доданого змінного електричного струму.
Для реалізації стабільного частотно-гребінчатого спектра важливим є швидке підсилення. При повільному підсиленні, лазер стабілізується на певній одній частоті. Однак при швидкому підсиленні можна застабілізувати гребінчатий спектр, що виникає за рахунок квантового блукання.
Що стосується застосувань, дослідники вважають, що таке лазерне джерело буде корисним для створення мініатюрних оптичних датчиків для екологічного та медичного моніторингу. Також такі пристрої можуть збільшити швидкість передачі даних в оптичному зв’язку, оскільки кожна частота світла, яку випромінює лазер – загалом до 100 частот – може служити незалежним каналом зв’язку.
Ina Heckelmann, Mathieu Bertrand, Alexander Dikopoltsev, Mattias Beck, Giacomo Scalari, and Jérôme Faist. Quantum walk comb in a fast gain laser. Science 382 (2023) 434, DOI: 10.1126/science.adj3858
Супутні матеріали: https://www.science.org/action/downloadSupplement?doi=10.1126%2Fscience.adj3858&file=science.adj3858_sm.pdf
Авторська версія статті на arXiv: https://arxiv.org/abs/2309.00446
Огляд статті на PhysicsWorld: https://physicsworld.com/a/laser-light-goes-for-a-quantum-walk-in-a-microchip/