Beijing Institute of Quantum Information: การใช้ไฟเบอร์-การแปลงความถี่แบบรวมเพื่อให้เกิดการกระจายพัวพันของควอนตัมในระยะทางกว่า 100 กิโลเมตร
ในทศวรรษ 1960 การถือกำเนิดของเลเซอร์ได้เปิดศักราชใหม่ของวิทยาศาสตร์และการประยุกต์ ตั้งแต่การสแกนรหัสซูเปอร์มาร์เก็ตไปจนถึงการผ่าตัดสายตาสั้น เทคโนโลยีการจัดการโฟตอนด้วยเลเซอร์แบบดั้งเดิมได้บูรณาการเข้ากับชีวิตประจำวันมานานแล้ว ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จในการพัฒนาเลเซอร์ใหม่ที่สามารถควบคุม "โฟนอน" (หน่วยพลังงานเชิงปริมาณของการสั่นสะเทือนทางกล) การควบคุมโฟนันที่แม่นยำคาดว่าจะนำมาซึ่งความเป็นไปได้มากขึ้นสำหรับเทคโนโลยีเลเซอร์ เช่น การใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติควอนตัมที่เป็นเอกลักษณ์ เช่น สถานะที่พันกัน
ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยโรเชสเตอร์และสถาบันเทคโนโลยีโรเชสเตอร์ในสหรัฐอเมริกาเพิ่งพัฒนาเลเซอร์โฟนอนแบบบีบอัดโหมดคู่-ที่สามารถควบคุมโฟนอนที่มีความแม่นยำสูง-ในระดับนาโนเมตรได้
ทีมวิจัยได้ตีพิมพ์บทความที่เกี่ยวข้องในวารสาร Nature Communications ซึ่งมีรายละเอียดวิธีการเปิดใช้งานควอนตัมการสั่นสะเทือนเชิงกลระดับนาโน (โฟนอน) เพื่อรักษาเลเซอร์-เหมือนกับเอาต์พุตที่สอดคล้องกัน ขณะเดียวกันก็ได้รับการบีบอัดสัญญาณรบกวนความร้อนผ่านการเชื่อมต่อโหมดคู่-และการระบายความร้อนแบบไม่เชิงเส้น ซึ่งช่วยลดความผันผวนของเลเซอร์โฟนอนได้อย่างมาก
ศาสตราจารย์ Nick Vamivakas หนึ่งในผู้เขียนรายงานที่เกี่ยวข้อง และผู้ร่วมงานของเขาสาธิตโฟนอนเลเซอร์เป็นครั้งแรกในปี 2019 พวกเขาใช้แหนบแบบออพติคอลเพื่อจับและระงับอนุภาคนาโนในสุญญากาศ และบรรลุการสั่นของโฟนันที่สอดคล้องกันผ่านการแกว่งทางกล
อย่างไรก็ตาม เพื่อให้เทคโนโลยีนี้ใช้งานได้สำหรับการวัดที่มีความแม่นยำสูง- พวกเขาต้องเอาชนะความท้าทายหลัก-เสียงรบกวน นั่นคือสัญญาณรบกวนที่รบกวนการอ่านสัญญาณที่แม่นยำ ปัญหานี้เกิดขึ้นกับทั้งเลเซอร์โฟตอนและโฟนอน
"เลเซอร์ปรากฏด้วยตาเปล่าว่าเป็นลำแสงที่มั่นคง แต่ในความเป็นจริงแล้ว มีความผันผวนอยู่เป็นจำนวนมาก ซึ่งอาจทำให้เกิดสัญญาณรบกวนในกระบวนการวัดได้" Nick Vamivakas อธิบายว่า "เราประสบความสำเร็จในการปราบปรามความผันผวนของโฟนอนเลเซอร์อย่างมีประสิทธิภาพโดยการใช้การปรับคัปปลิ้งพาราเมตริกกับโหมดการสั่นทั้งสองโหมดในระบบกันสะเทือนของแหนบแบบใช้แสง รวมกับการระบายความร้อนด้วยพารามิเตอร์แบบไม่เชิงเส้น"
รูปนี้แสดงอุปกรณ์หลักและหลักการทดสอบ (a) แสดงให้เห็นระบบกันสะเทือนของแหนบแบบออปติคัลและวิธีการบรรลุการเชื่อมต่อแบบสอง-โดยผ่านการมอดูเลชั่น (b) อธิบายการสร้างหลุมศักย์ที่ไม่สมมาตรและกลไกการควบคู่แบบหมุน () นำเสนอกระบวนการแปลงหน่วยเสียงลง-ด้วยสายตาด้วยผลรวมของสองความถี่เป็นความถี่ในการขับเคลื่อนผ่านแผนภาพระดับพลังงาน ซึ่งเป็นพื้นฐานทางกายภาพสำหรับการบีบอัดโหมดคู่-
ความก้าวหน้าหลักของทีมวิจัยคือการทำให้เกิดการบีบอัดทางความร้อนเชิงกล-โหมดคู่: ในโหมดการสั่นสะเทือนตั้งฉากสองโหมดของ x และ y ของอนุภาคนาโนซิลิกาแขวนลอย (เส้นผ่านศูนย์กลาง 100 นาโนเมตร) ในแหนบแบบใช้แสง ผลรวมของความถี่ทั้งสองโหมดจะถูกนำมาใช้เป็นความถี่ในการขับเคลื่อนสำหรับการปรับแบบคัปปลิ้ง ในเวลาเดียวกัน เมื่อรวมกับการระบายความร้อนด้วยพารามิเตอร์แบบไม่เชิงเส้น ระบบจะมีความเสถียร บีบอัดโดยตรง และลดสัญญาณรบกวนความร้อนโดยธรรมชาติของโฟนอนเลเซอร์
Nick Vamivakas กล่าวว่าความสามารถในการลดเสียงรบกวนนี้ทำให้ความแม่นยำในการวัดความเร่งของระบบเหนือกว่าเลเซอร์โฟตอนแบบดั้งเดิมและเทคโนโลยีการวัดคลื่นความถี่วิทยุ
