這是由Vučković實驗室開發的碳化矽微環，可以在斯坦福奈米共享設施的掃描電子顯微鏡下看到。來源:Vučković實驗室
與我們日常生活中周圍的光產生的頻率混亂不同，在一個被稱為“孤子”頻率梳的特殊光源中，每一個頻率的光都在一致地振盪，產生定時一致的孤立脈衝。
梳子的每一個“齒”都是不同顏色的光，間隔如此精確，以至於這個系統被用來測量各種現象和特徵。這些梳子的小型化版本——被稱為微型梳子——目前正在開發中，有潛力增強無數的技術，包括GPS系統、電信、自動駕駛汽車、溫室氣體跟蹤、航天器自主和超精確計時。
斯坦福大學電氣工程師Jelena Vučković的實驗室最近才加入微梳社群。“許多團隊已經演示了多種材料的片內頻率梳，包括我們團隊最近在碳化矽中進行的。然而，到目前為止，頻率梳的量子光學特性一直是難以捉摸的，”詹森·黃(Jensen Huang)工程學院全球領導力教授和斯坦福大學電氣工程教授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。”
雖然孤子微梳已經在其他實驗室製造出來，但斯坦福大學的研究人員是第一批研究該系統量子光學特性的人之一，他們在12月16日發表在《自然光子學》(Nature Photonics)雜誌上的一篇論文中概述了這一過程。當成對產生時，微梳孤子被認為表現出糾纏——粒子之間的一種關係，使它們能夠在難以置信的距離內相互影響，這是我們對量子物理學的理解的基礎，也是所有提出的量子技術的基礎。我們每天遇到的大多數“經典”光並不表現出糾纏態。
“這是這種微型頻率梳可以在晶片上產生有趣的量子光——非經典光的首批演示之一，”Vučković奈米尺度和量子光子學實驗室的研究科學家、論文的合著者Kiyoul Yang說。“利用頻率梳和光子積體電路進行大規模實驗，可以為更廣泛地探索量子光開闢一條新途徑。”
為了證明他們的工具的實用性，研究人員還提供了令人信服的證據，證明孤子微梳內的量子糾纏，這已經被理論化和假設，但尚未被任何現有的研究證明。
“我真的很想看到孤子在量子計算中變得有用，因為它是一個被高度研究的系統，”梅麗莎·古德瑞(Melissa Guidry)說，她是奈米尺度和量子光子學實驗室的研究生，也是這篇論文的合著者。“目前，我們有很多技術可以在低功耗的晶片上產生孤子，因此，如果能夠利用這些技術證明存在糾纏態，那將是令人興奮的。”
頻率梳和產生它的微環的概念圖。頻率梳圖顯示了相干光齒和這些齒之間的量子光。來源:Vučković實驗室
牙齒之間
前斯坦福大學物理學教授Theodor W. Hänsch因開發出第一個頻率梳而在2005年獲得諾貝爾獎。建立Hänsch研究的東西需要複雜的、桌面大小的裝置。相反，這些研究人員選擇專注於更新的“微型”版本，即系統的所有部分被整合到一個單一的裝置中，並被設計成適合於一個微晶片。這種設計節省了成本、尺寸和能源。
為了製造他們的微型梳子，研究人員將鐳射泵入一個微小的碳化矽環(這是利用斯坦福奈米共享設施和斯坦福納米制造設施的資源精心設計和製造的)。在環上運動時，鐳射的強度增加，如果一切順利，一個孤子就誕生了。
奈米尺度與量子光子學實驗室的研究生、該論文的合著者丹尼爾·盧金說:“這很有趣，你可以用一個鐳射泵浦和一個非常小的圓來產生同樣的特殊光，而不是這種奇特的、複雜的機器。”他補充說，在晶片上產生的微梳子使牙齒之間的間距變大，這是能夠觀察梳子更精細細節的第一步。
接下來的步驟包括能夠探測光的單個粒子的裝置，並在微環中填充幾個孤子，創造一個孤子晶體。“對於孤子晶體，你可以看到實際上在牙齒之間有更小的光脈衝，這是我們用來推斷糾纏結構的測量，”古德瑞解釋說。“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，而不會被構成牙齒的相干光淹沒。”
由於他們正在對這個系統的量子方面進行一些最早的實驗研究，研究人員決定嘗試確認一個理論模型，稱為線性化模型，這通常被用作描述複雜量子系統的捷徑。當他們進行比較時，他們驚訝地發現實驗與理論吻合得非常好。因此，雖然他們還沒有直接測量他們的微梳是否有量子糾纏，但他們已經證明它的效能符合暗示糾纏的理論。
“我們得到的資訊是，這為理論學家做更多的理論打開了大門，因為現在，有了這個系統，有可能透過實驗驗證這項工作，”盧金說。
證明和使用量子糾纏
資料中心的微型梳子可以提高資料傳輸的速度;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團隊對某些型別的量子計算中孤子的潛力特別感興趣，因為據預測，孤子一旦產生就會高度糾纏。
藉助他們的平臺，以及從量子角度進行研究的能力，奈米尺度和量子光子學實驗室的研究人員對他們接下來可以做什麼持開放態度。在他們的想法列表中，排在前幾位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。
