Laserlicht gaat voor een kwantumwandeling in een microchip – Physics World

Onderzoekers van de ETH Zürich in Zwitserland hebben een microchiplaser die een enkele frequentie (of kleur) licht uitzendt, getransformeerd in een laser die licht uitzendt over een breed frequentiebereik. Het nieuwe optische kamapparaat, dat werkt dankzij een proces dat bekend staat als een kwantumwandeling, zou kunnen worden gebruikt om geminiaturiseerde optische sensoren te maken voor milieu- en medische monitoring en om de datatransmissiesnelheden in de telecommunicatie te verhogen.

Onder leiding van natuurkundige Jérôme Faist ETH-onderzoekers begon met een kwantumcascadelaser geïntegreerd in een microchip. Dit apparaat bestaat uit een microringstructuur die bestaat uit lagen arsenide, gallium, indium en aluminium. De ring beperkt en geleidt het licht en wanneer aangesloten op een directe elektrische stroombron worden de elektronen erin gestimuleerd om snel over de verschillende lagen te springen, waardoor een cascade van fotonen wordt uitgezonden. Terwijl de fotonen in de ring circuleren, vermenigvuldigen ze zich, waardoor coherent laserlicht met één enkele frequentie ontstaat.

Faist en collega's ontdekten dat als ze dit systeem opwekken met een extra wisselstroom die op een bepaalde resonantiefrequentie oscilleert, het uitgestraalde licht in een tijdsbestek van slechts een paar nanoseconden van een enkele kleur naar meerdere kleuren gaat. Met name voordat het zijn uiteindelijke vorm stabiliseert, lijkt het spectrum van het uitgezonden licht op de beweging van een zogenaamde kwantumwandeling.

De kwantumwandeling van een laser

De kwantumwandeling, voor het eerst voorgesteld door de natuurkundige en Nobelprijswinnaar Richard Feynman, verschilt sterk van de klassieke willekeurige wandeling die gewoonlijk wordt gebruikt om het gedrag van fysieke systemen te modelleren, variërend van fluctuerende aandelenmarkten tot de Brownse beweging van stuifmeelkorrels op het oppervlak van een vloeistof. De klassieke willekeurige wandeling werkt als een verdwaalde wandelaar die zijn volgende stappen kiest op basis van het opgooien van een munt. Als de munt bijvoorbeeld op kop terechtkomt, kan de wandelaar een stap naar links doen, terwijl staarten misschien een stap naar rechts vereisen. Na veel opgooien zal de positie van de wandelaar willekeurig zijn, maar waarschijnlijk dicht bij zijn startpunt.

Bij een kwantumwandeling daarentegen beweegt een kwantumdeeltje na elke worp effectief tegelijkertijd in beide richtingen, waarbij het een samenhangende superpositie van rechts en links aanneemt. Dit betekent dat er altijd meerdere mogelijke routes zijn die het deeltje kan volgen om op zijn uiteindelijke positie te komen.

Een optisch kamachtig spectrum

In het nieuwe apparaat heeft deze kwantumwandeling een opmerkelijk resultaat. “De verschillende kleuren (of frequenties) voegen energie toe aan het uitgestraalde licht en creëren een optisch kamachtig spectrum”, legt Faist uit. “De optische frequenties liggen op gelijke afstand van elkaar, en hun aantal wordt geselecteerd door de frequentie en amplitude van het elektrische oscillerende signaal dat naar de laser wordt gestuurd.”

Quantum Random Walk stelt een limiet aan superpositie

Wat de toepassingen betreft, zeggen de onderzoekers dat geminiaturiseerde optische sensoren voor milieu- en medische monitoring een mogelijkheid zijn. Op de langere termijn voegt Faist eraan toe dat dergelijke apparaten de datatransmissiesnelheid voor optische communicatie zouden kunnen verhogen, omdat elke kleur licht die de laser uitzendt – tot wel 100 kleuren in totaal – als een onafhankelijk communicatiekanaal zou kunnen dienen.

De onderzoekers rapporteren hun bevindingen in Wetenschap.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/laser-light-goes-for-a-quantum-walk-in-a-microchip/