研究人员演示了一种新型激光器

   日期:2020-06-21     浏览:32    评论:0    
核心提示:研究人员演示了一种新型激光器代尔夫特理工大学QuTech的研究人员已经基于超导的一个基本方面——交流约瑟夫森效应,制造了一个芯

研究人员演示了一种新型激光器
代尔夫特理工大学

QuTech的研究人员已经基于超导的一个基本方面——交流约瑟夫森效应,制造了一个芯片上的微波激光器。该装置是由一个与超导腔强耦合的单奈米约瑟夫森结制成。当电池在结面上施加一个小的直流电压时,当库柏对穿过结时,能量的差异导致微波被释放。谐振腔然后提供放大,导致从谐振腔发射出一束相干微波光。该设备可能用于建造可伸缩的量子计算机。来源:代尔夫特理工大学
如今,激光无处不在:医生用它矫正视力,收银员用它扫描食品杂货,量子科学家用它在未来的量子计算机中控制量子位元。对于大多数应用而言,目前体积庞大、能量低的激光器还算不错,但量子科学家的工作是在极低的温度和非常小的尺度上进行的。40多年来,他们一直在寻找高效和精确的微波激光器,这种激光器不会干扰量子技术工作的非常寒冷的环境。


代尔夫特理工大学由Leo Kouwenhoven领导的一个研究小组演示了基于超导特性ac约瑟夫森效应的芯片上微波激光器。他们在一个精心设计的芯片内腔中嵌入了一小段中断超导体,即约瑟夫森结。这种装置开启了许多应用的大门,其中微波辐射的最小耗散是关键,例如控制量子位在一个可伸缩的量子计算机。

科学家们已于3月3日在《科学》杂志上发表了他们的研究成果。

激光有独特的能力发射完美同步,相干光。这意味着线宽(对应于颜色)非常窄。典型的激光器是由腔内的大量发射体(原子、分子或半导体载体)制成的。这些传统的激光器通常效率低,并且在激光过程中耗散大量的热量。这使得它们很难在低温环境中操作,比如在低温环境中操作量子计算机。

超导约瑟夫森结

1911年,荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes发现,一些材料在非常低的温度下会转变为超导状态,这使得电流在不损失任何能量的情况下流动。超导最重要的应用之一是约瑟夫森效应:如果一个很短的势垒打断了一块超导体,电载流子就会根据量子力学定律通过这种非超导材料。此外,他们在一个非常特殊的频率,这可以改变外部施加的直流电压。因此,约瑟夫森结是一个完美的电压到光(频率)转换器。

约瑟夫森结激光器

QuTech的科学家们将这样一个约瑟夫森结与一个比蚂蚁还小的高质量超导微腔相结合。约瑟夫逊结就像一个原子,而谐振腔就像微波的两面镜子。当一个小的直流电压应用到这个约瑟夫森结,它发出微波光子与谐振腔频率共振。光子在两块超导镜子之间来回反射,迫使约瑟夫森结释放出更多与腔内光子同步的光子。通过将设备冷却到超低温度(< 1开尔文)并在约瑟夫森结施加一个小的直流电压,研究人员观察到在腔的输出处发射出一束相干的微波光子。由于芯片激光器完全由超导体制成,因此它比之前演示的基于半导体的激光器更节能、更稳定。它的运行只需要不到1皮瓦特的能量,比一个光球还少1000亿倍。

低损耗量子控制

高效的高质量相干微波光源在未来量子计算机的所有设计中都是必不可少的。微波脉冲被用来读出和传输信息,纠正错误,访问和控制单个量子组件。虽然目前的微波源价格昂贵且效率低下,但QuTech公司研制的Josephson结激光器是节能的,并且提供了一种易于控制和修改的芯片解决方案。该小组正在扩展他们的设计,使用由纳米线制成的可调谐约瑟夫森结,以允许微波爆发快速控制多个量子组件。在未来,这种设备可能能够产生所谓的“振幅压缩”光,其强度波动比传统激光器更小,这在大多数量子通信协议中是必不可少的。这项工作标志着向合作迈出了重要的一步

 
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