Conform TechSpot, o echipă de cercetători din Maryland a demonstrat un cip care poate produce mai multe frecvențe fără ajustări, aducând integrarea fotonică mai aproape de revoluția semiconductorilor care a transformat electronica cu decenii în urmă. În loc să se bazeze pe bănci optice voluminoase sau lasere externe, viitoarele sisteme ar putea folosi un set de unelte spectrale de la un cip de dimensiunea unei unghii – un pas incremental dar esențial către rețele cuantice practice și instrumente optice de precizie.
De decenii, oamenii de știință au căutat modalități de a comprima instrumentele științei optice – lasere, lentile, oglinzi – pe cipuri care se potrivesc pe un deget. Această miniaturizare este cheia pentru a debloca sisteme de comunicare mai rapide, ceasuri atomice ultra-precise și calculatoare cuantice scalabile care se bazează pe lumină mai degrabă decât pe semnale electronice. Însă un obstacol persistent a fost dificultatea de a transforma un singur fascicul de lumină laser în multiple culori noi într-un cip compact, un proces central pentru multe tehnologii fotonice și cuantice.
O echipă de cercetare de la Joint Quantum Institute (JQI) din cadrul Universității din Maryland a atins acum această piatră de hotar. Grupul a dezvoltat un cip care poate transforma o singură culoare de lumină laser în trei frecvențe distincte, fără intrări active sau ajustări minuțioase. Descoperirile lor, publicate în Science, demonstrează o cale de încredere pentru a produce semnale optice complexe direct pe cip – ceva ce proiectele anterioare au avut dificultăți să livreze constant.
Spre deosebire de elementele optice obișnuite precum prismele, care separă culorile existente, cipurile JQI generează unele noi care nu erau conținute în fasciculul original. Crearea de noi frecvențe optice necesită interacțiuni neliniare – fenomene care apar doar atunci când lumina este atât de intensă încât schimbă proprietățile optice ale unui material, care apoi revin pentru a modifica lumina în sine. Aceste efecte neliniare au fost observate pentru prima dată acum mai bine de șaizeci de ani, dar pentru cea mai mare parte a acelui timp, au fost prea slabe pentru a fi exploatate eficient.
Descoperirea din 1961 a “generației armonice secundare” a ilustrat cât de subtile erau aceste procese; semnalul cheie din date a fost aproape confundat cu un defect tipografic. De atunci, cercetătorii au întărit efectele neliniare prin design artificial mai degrabă decât prin forța brută a laserului.
Dispozitivele fotonice integrate de astăzi folosesc rezonatori microscopici care captează lumina în cicluri repetate, permițând unui singur foton să circule de milioane de ori. Fiecare trecere crește ușor interacțiunea neliniară, iar împreună se construiesc într-un efect puternic și măsurabil.
Chiar și cu astfel de rezonatori, ajustarea unui cip pentru a produce o combinație specifică de culori a fost notoriu instabilă. Variațiile ușoare în geometrie, temperatură sau fabricație pot dezechilibra frecvențele. Abordarea JQI depășește acea problemă prin proiectarea rezonatorilor care favorizează în mod inerent interacțiunile dorite, eliminând necesitatea ajustărilor continue.
Potrivit lui Mohammad Hafezi, membru JQI care a condus proiectul, reproductibilitatea acestor cipuri este la fel de necesară ca și performanța lor. Dispozitivele oferă constant același output spectral fără control activ, o caracteristică ce simplifică integrarea în sisteme optice mai mari.
Hafezi, de asemenea profesor de inginerie electrică și de calcul și de fizică la Universitatea din Maryland, descrie acest lucru ca pe un avans semnificativ către “fotonica integrată scalabilă și de încredere.”
În cele din urmă, generarea fiabilă a frecvențelor pe cip ar putea servi ca o tehnologie de bază pentru arhitecturile de calcul cuantic care folosesc lumina pentru a codifica și transmite informații cuantice, precum și ceasuri portabile care măsoară timpul cu o precizie fără precedent. Fiecare culoare de lumină corespunde unei frecvențe specifice, iar combinarea mai multor frecvențe cu stabilitate la nivel atomic permite detectarea extrem de sensibilă a fazei, distanței și timpului.
