科学探索|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斯坦福大学工程师和物理学家

频率微梳是专门的光源，可以作为光基时钟、标尺和传感器，高精度地测量时间、距离和分子组成。斯坦福大学的新研究为调查这些光源的量子特性提供了一个新工具。

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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 Vu?kovi?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Vu?kovi?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。”

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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。
Vu?kovi?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。”

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【科学探索|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】前斯坦福大学物理学教授Theodor W. H?nsch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H?nsch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。