斯坦福大学工程师和物理学家研究光孤子频率梳的量子特性

与我们日常生活中周围的光所产生的杂乱无章的频率不同，被称为“孤子”频率梳的专门光源中的每个频率都在统一振荡，产生具有一致时间的单独脉冲。

这种频率梳的每个“齿”是不同颜色的光，间隔如此精确，以至于这个系统被用来测量各种现象和特性。目前正在开发的这些频率梳的微型版本（称为微梳）有可能提高无数技术，包括GPS系统、电信、自主车辆、温室气体追踪、航天器自主性和超精确计时。

斯坦福大学电气工程师Jelena Vučković的实验室最近才加入微梳研究领域。“许多小组已经展示了各种材料的片上频率梳，包括最近我们的团队在碳化硅中的频率梳。然而，直到现在，频率梳的量子光学特性一直是难以捉摸的，”斯坦福大学工程学院Jensen Huang全球领导力教授和电气工程教授Vučković说。“我们想利用我们小组的量子光学背景来研究孤子微梳的量子特性。”

虽然其他实验室已经制造了“孤子”微梳，但斯坦福大学的研究人员是第一批研究该系统的量子光学特性的人，他们在2021年12月16日发表在《自然-光子学》上的一篇论文中概述了这一过程。当成对创建时，“孤子”微梳被认为表现出纠缠--这是一种粒子之间的关系，即使在不可思议的距离内也能相互影响，这支撑着我们对量子物理的理解，也是所有拟议的量子技术的基础。

Vučković的纳米和量子光子学实验室的研究科学家、该论文的共同作者Kiyoul Yang说：“这是首次证明这种小型化频率梳可以在芯片上产生有趣的量子光--非经典光。这可以为利用频率梳和光子集成电路进行大规模实验的量子光的更广泛探索开辟一条新途径。”

为了证明他们的工具的实用性，研究人员还提供了“孤子”微梳内的量子纠缠的令人信服的证据，这已经被理论化和假设了，但还没有被任何现有的研究证明。

纳米级和量子光子学实验室的研究生、该论文的共同作者Melissa Guidry说：“我真的希望看到孤子对量子计算变得有用，因为它是一个高度研究的系统。我们目前有很多技术可以在芯片上以低功率产生孤子，所以如果能够利用这一点并显示你有纠缠，那将是令人兴奋的。”

前斯坦福大学物理学教授Theodor W. Hänsch因其开发第一个频率梳的工作而在2005年获得诺贝尔奖。要创造Hänsch研究的东西，需要复杂的、桌面大小的设备。相反，这些研究人员选择专注于较新的"微型"版本，即系统的所有部分都集成到一个单一的设备中，并设计成适合在一个微芯片上。这种设计节省了成本、尺寸和能源。

为了创造他们的微梳，研究人员将激光穿过一个碳化硅的微环（这是利用斯坦福纳米共享设施和斯坦福纳米加工设施的资源精心设计和制造的）。绕着环走，激光建立起强度，如果一切顺利，一个孤子就诞生了。

纳米级和量子光子学实验室的研究生、该论文的共同作者Daniil Lukin说：“令人着迷的是，你不需要有这种花哨、复杂的机器，而只需要一个激光泵和一个非常小的环，就可以产生同样的专门的光。”他补充说，在芯片上生成的微梳使得齿间的间距很宽，这是朝着能够观察到梳子更精细的细节迈出的一步。

接下来的步骤涉及到能够检测到光的单一粒子的设备，并将微环与几个孤子“打包”，形成一个孤子晶体。“有了孤子晶体，你可以看到在齿间实际上有更小的光脉冲，这就是我们测量推断纠缠结构的东西，”Guidry解释说。“如果你把探测器停在那里，你可以很好地观察有趣的量子行为，而不会被构成齿的相干光所淹没。”

看到他们正在对这个系统的量子方面进行一些首次实验研究，研究人员决定尝试确认一个理论模型，称为线性化模型，它通常被用作描述复杂量子系统的捷径。当他们进行对比时，他们惊讶地发现，实验与理论非常吻合。因此，虽然他们还没有直接测量出他们的微梳子具有量子纠缠，但他们已经证明其性能与暗示纠缠的理论相匹配。

Lukin表示：“得到的信息是，这为理论家做更多的理论打开了大门，因为现在，有了这个系统，就有可能通过实验来验证这项工作。”

证明和使用量子纠缠

数据中心的微梳可以提高数据传输的速度；在卫星上，它们可以提供更精确的GPS或分析遥远物体的化学成分。Vučković团队对孤子在某些类型的量子计算中的潜力特别感兴趣，因为据预测，孤子一经产生就会产生高度纠缠。

有了他们的平台，以及从量子角度研究它的能力，纳米和量子光子学实验室的研究人员对他们下一步可以做什么保持着开放的态度。在他们的想法中，最重要的是对他们的系统进行测量，以明确证明量子纠缠的可能性。