纳米光子频率转换器可实现单光子颜色转换

     纳米光子频率转换器的假彩色扫描电子显微照片，该转换器包含一个环形谐振器(蓝色阴影部分)，用波导(红色部分)将光注入到环形谐振器中。输入信号用紫色箭头表示，通过采用两个泵浦激光器(亮红色和暗红色箭头)转换为新的频率(蓝色箭头)。

    将单个光子从一个颜色或频率转换到另一个颜色或频率是量子通信中的一个重要工具，它利用光子(光的粒子)的亚原子特性之间的微妙关系来安全地存储和传递信息。国家标准与技术研究所的科学家们现在使用类似于制造计算机芯片的技术已经开发出一种小型化的频率转换器。

    这个微小的器件，将有助于提高安全性和增加下一代量子通信系统的工作距离，可以进行调整使其适用于各种各样的用途，也使其易于与其他信息处理元件的集成，并且可以大规模生产。

    这个新的纳米尺度的光频转换器有效地将光子从一个频率转换到另一个频率同时只消耗少量的功率和增加一个非常低的噪音水平，即背景光与输入信号不相关。

    频率转换器是解决两个问题的关键。量子系统生成和存储信息的最佳频率通常远远高于在光纤中将这些信息传输公里以上的距离时所需的频率。在这些频率之间转换光子需要进行几百个太赫兹的频移(一太赫兹等于每秒一万亿个波周期)。

    当两个本来打算是完全一样的量子系统的形状和组成具有一个小的变化时，一个更小但仍然很关键的频率失配就出现了。这些变化导致系统产生的光子在频率上会有轻微的不同而不是量子通信网络可能需要的精确复制。

    这个新的光子频率转换器，作为一个纳米光子工程的实例，同时解决了这两个问题，QingLi，MarceloDavanco和KartikSrinivasan在《NaturePhotonics》杂志上报道说。该芯片集成装置的关键部件是一个微小的环形谐振腔，其具有约80微米的直径(略小于人类头发的宽度)和零点几微米的厚度。这个由氮化硅制成的环的形状和尺寸被进行了优化，以提高材料将光从一个频率转换到另一个频率的固有特性。这个环形谐振腔由两个泵浦激光器驱动，每一个激光器工作在独立的频率上。在一个被称为四波混频布拉格散射的体系中，一个进入该环型谐振器的光子的频率会有一个变化，其变化的量等于这两个泵浦激光器的频率差。

    就像在赛道上骑车一样，入射光在从谐振器里面出来之前已经环行了数百次，这极大地提高了设备在低功率和低背景噪声下转换光子频率的能力。与以往的实验中需要用几瓦的功率不同，该系统仅消耗约百分之几瓦的功率。更重要的是，增加的噪音的量足够低，从而可以用在未来使用单光子源的实验中。

    虽然其他的技术已经被应用到频率转换上，“纳米光子技术也有它的好处，它有可能使设备更小，更容易定制，更低的功耗，和兼容批量制造技术，”Srinivasan说。“我们的工作是第一个适合这个艰巨的量子频率转换任务的纳米光子技术的示范。”

    这项工作是由NIST纳米科学与技术中心的研究人员完成的。