Tecnología Quant µm
La Tecnología Cuántica µm (QT) es un área científica apasionante que ya está marcando la diferencia en nuestras vidas. Su impacto aumentará en los próximos años y los cristales ópticos no lineales (NLO) desempeñarán un papel clave en su comercialización. Se espera que la QT tenga utilidad en múltiples aplicaciones en tres categorías principales:
- Detección y cronometraje: la extrema sensibilidad de los sistemas cuánticos µm a las influencias ambientales se puede aprovechar para medir propiedades físicas con mayor precisión.
- Comunicaciones: Los intentos de observar un canal de comunicación cuántico µm alterarán irreversiblemente el estado del sistema, de forma que sea detectable por las partes que intercambian información. Una red cuántica µm puede distribuir fotones entrelazados como claves entre usuarios distantes para garantizar que los datos no sean interceptados.
- Computación: Utilizando los principios de superposición y entrelazamiento, teóricamente es posible una aceleración significativa con respecto a las computadoras clásicas para algunos tipos de problemas. La computación cuántica µm promete revolucionar la informática, especialmente cuando se manejan grandes conjuntos de datos y cálculos complejos.
Los primeros productos se comercializan actualmente, pero la industria de la tecnología cuántica (QT) aún se encuentra en sus inicios y requerirá nuevos componentes y sistemas de diversos proveedores, lo que creará una cadena de suministro estable que está surgiendo en este campo. La fotónica será fundamental en la cadena de suministro, y ya sea generando pares de fotones entrelazados, enfriando átomos o generando estados cuánticos µm estables, los cristales y componentes NLO serán factores clave.
En comparación con la adaptación de fase birrefringente (BPM) más convencional utilizada en materiales homogéneos, los materiales QPM microestructurados ofrecen los beneficios de una alineación óptica colineal simple, un desplazamiento angular no crítico, acceso a los coeficientes no lineales más grandes y un espacio de diseño altamente flexible.
Tipos de cristales no lineales
µm dopado con MgO (MgO:LN) cuenta con una sólida cadena de suministro de obleas gracias a su amplio uso en otros componentes. Además, puede polarizarse periódicamente para aumentar la eficiencia de conversión de frecuencia. Presenta el coeficiente no lineal efectivo más alto entre los materiales no lineales comerciales y un amplio rango de transmisión de 380 nm a 5 µm lo que lo hace ideal para la conversión de frecuencia de alta eficiencia de fuentes de onda continua y pulsos.
µm potásico (KTP) presenta una menor no linealidad que el MgO:LN y se utiliza cuando se requiere una mayor resistencia al daño fotorrefractivo. El KTP también puede polarizarse periódicamente para mejorar la eficiencia de la SHG a longitudes de onda más cortas, pero su uso es limitado en el infrarrojo medio debido a una ventana de transmisión más estrecha de 350 nm a 4 µm . El KTP también se ve afectado por una cadena de suministro menos consolidada que la del MgO:LN, por lo que la calidad del material presenta mayor variabilidad y es más costoso.
beta bari µm (BBO) y borato de litio µm (LBO) se han vuelto populares para la generación de longitudes de onda en las porciones cercanas al UV al azul del espectro µm , porque su transparencia en estas longitudes de onda cortas es mejor que KTP y MgO:LN. BBO es transparente hasta 190 nm y LBO es transparente hasta 155 nm. Ambos cristales se utilizan en una configuración sin polarización en masa, y mientras que BBO tiene una mayor no linealidad y ancho de banda de ajuste de temperatura que LBO, LBO tiene un ángulo de salida menor, un umbral de daño más alto y capacidades de ajuste de ángulo y longitud de onda más amplias. Ambos tipos de cristal se ven obstaculizados por una no linealidad mucho menor que el niobato de litio µm , pero la capacidad de utilizar cristales grandes con potencias de entrada muy altas permite que ambos tipos de cristal se utilicen de manera efectiva en sistemas de conversión de frecuencia más grandes.
La elección del cristal NLO para una aplicación específica depende de la longitud de onda requerida, las fuentes de p µm disponibles y la eficiencia de conversión de NLO. Si la aplicación requiere un volumen significativo de µm , el coste del material y la estabilidad de la cadena de suministro. Otros factores a considerar incluyen la potencia de salida requerida, el ancho de línea, la temperatura de funcionamiento, etc.
Al considerar diferentes materiales cristalinos, µm (LiNbO₃) es una opción particularmente atractiva, ya que presenta un coeficiente no lineal muy alto. ⁻ MgO:LN y KTP son materiales ferroeléctricos cuya estructura de dominio puede invertirse mediante la aplicación de un campo eléctrico. Al aplicar un campo eléctrico con patrones espaciales, denominado polarización periódica, se puede producir una inversión periódica de la polarización intrínseca dentro del cristal. Esto permite utilizar la adaptación de fase cuasi para obtener el coeficiente no lineal más alto (d₃ ) . Esta técnica no es adecuada para su uso con LBO y BBO.
Procesos de conversión de frecuencia no lineal
Los cristales NLO pueden ofrecer conversión de frecuencia mediante una serie de µm de diferentes mecanismos, lo que los convierte en una solución muy flexible para producir fuentes de luz estables, de alta calidad y con ancho de línea estrecho a lo largo de su ventana de transmisión. Esta flexibilidad, combinada con la disponibilidad de fuentes comerciales impulsadas por la industria de las telecomunicaciones, los hace ideales para las longitudes de onda de interés en QT. El diagrama a continuación destaca algunas longitudes de onda objetivo que pueden obtenerse para transiciones atómicas de interés.
Los procesos incluyen:
La generación de segundo armónico (SHG) , o duplicación de frecuencia, es el proceso no lineal de segundo orden más comúnmente utilizado. En la SHG, dos fotones de entrada p µm p con la misma longitud de onda λ P se combinan mediante un proceso no lineal para generar un tercer fotón en λ SHG , donde λ SHG = λ P /2 (o en términos de frecuencia f SHG = 2f P ). Los cristales NLO SHG pueden fabricarse con períodos de rejilla QPM adecuados para una amplia gama de longitudes de onda láser p µm p disponibles comercialmente, desde 976 nm hasta 3300 nm, lo que permite la generación de luz con duplicación de frecuencia entre 488 nm y 1550 nm.
S µm (SFG) combina dos fotones de entrada en λ P y λ S para generar un fotón de salida en λ SFG , donde λ SFG = (1/ λ P + 1/ λ S )-1 (o en términos de frecuencia f SHG = f P + f S µm fácilmente disponibles, los cristales NLO SFG pueden proporcionar luz de salida ajustable entre 500 y 700 nm.
La generación de frecuencia de diferencia (DFG) ocurre cuando dos fotones de entrada en λ P y λ S inciden en el cristal, la presencia del fotón de señal de frecuencia más baja, λ S , estimula el fotón p µm p , λ P , para emitir un fotón de señal λ S y un fotón inactivo en λ i , donde λ i = (1/ λ P – 1/ λ S )-1 (o en términos de frecuencia f i = f P – f S ). En este proceso, dos fotones de señal y un fotón inactivo salen del cristal dando como resultado un campo de señal amplificado. Esto se conoce como amplificación paramétrica óptica (OPA). Además, al colocar el cristal no lineal dentro de un resonador óptico, también conocido como oscilador paramétrico óptico (OPO), se puede mejorar significativamente la eficiencia. µm comunes fijas y sintonizables (por ejemplo, 1064/1550/775 nm) para cubrir un rango de sintonización de salida amplio y continuo desde el infrarrojo cercano hasta más allá de 4,5 μm en el infrarrojo medio.
Longitudes de onda de interés para aplicaciones cuánticas en µm
La estructura especial de los átomos de metales alcalinos es la base de los espectros de precisión, el enfriamiento y atrapamiento láser de átomos, los interferómetros atómicos y los patrones de frecuencia atómica. Entre estos átomos, se han estudiado en detalle el rubidio µm (Rb), el cesio µm (Cs), el berilio µm (Be), el bario µm (Ba) y el estroncio µm (Sr). Los cristales NLO se utilizan con mayor frecuencia en sistemas de óptica cuántica µm , donde se requieren láseres de ancho de línea estrecho para acceder a transiciones atómicas específicas y manipular y enfriar átomos e iones, donde los láseres de diodo no producen la potencia, el ancho de línea, la calidad del haz o la longitud de onda requeridos o no están fácilmente disponibles.
Los cristales NLO son una opción muy atractiva en estos sistemas, ya que pueden diseñarse con precisión para proporcionar la potencia de salida y la longitud de onda requeridas. También son atractivos porque se basan en una cadena de suministro existente donde las fuentes p µm p son económicas gracias a los láseres de telecomunicaciones disponibles comercialmente. Por lo tanto, la potencia de salida a nivel de vatios en longitudes de onda precisas se puede lograr fácilmente mediante la conversión de longitud de onda de los cristales NLO.
Las longitudes de onda generadas pueden ser la longitud de onda objetivo para la transición atómica deseada o un estado intermedio que luego es convertido por otro cristal, por ejemplo, la combinación de 1051 nm y 1550 nm en MgO: PPLN da una salida de 626 nm que luego se duplica a 313 nm mediante BBO.2
Ejemplos de uso de cristales NLO en aplicaciones Quant µm
Enfriamiento y atrapamiento de átomos . El enfriamiento y atrapamiento láser es la tecnología que reduce la temperatura de los átomos hasta casi el cero absoluto, confinándolos y manteniéndolos en las trampas. Los átomos en su estado fundamental pueden almacenar la información cuántica µm , y las interacciones de largo alcance entre átomos de Rydberg altamente excitados son esenciales para el correcto funcionamiento de muchos protocolos de información cuántica de µm en la computación cuántica µm .
La tecnología de alta precisión y escalabilidad que ofrece la interferometría atómica permite una detección más sensible de características, como tamaños más pequeños o mayor profundidad. Muchas aplicaciones de óptica atómica prefieren una alta potencia láser, manteniendo un ancho de línea estrecho y una alta calidad espacial del haz. Por ejemplo, la generación de 780 nm a partir de una fuente de 1560 nm (SHG) es necesaria para el atrapamiento magnetoóptico (MOT) de átomos de Rb en aplicaciones que utilizan interferometría atómica fría, como la detección gravimétrica y los relojes atómicos.3
En estas aplicaciones, los láseres de telecomunicaciones comerciales listos para usar (COTS) a 1560 nm se pueden duplicar eficientemente en frecuencia a 780 nm, con eficiencias de conversión de hasta el 70 % demostradas para soluciones de guía de ondas 4 . La combinación de componentes láser COTS p µm p junto con un cristal duplicador de frecuencia proporciona una generación rentable tanto de la potencia de 780 nm como del ancho de línea estrecho necesarios para soportar la captura de átomos de Rb.
Distribución de claves cuánticas µm . Las claves cuánticas µm se utilizan en la transmisión segura de datos. Permiten a dos partes generar una clave secreta aleatoria compartida, conocida solo por ellas, que puede utilizarse para cifrar y descifrar mensajes. La conversión bidireccional de 422 nm <-> 1550 nm (SFG/DFG) facilita la QKD. Esta aplicación requiere una conversión eficiente entre las transiciones atómicas de longitud de onda corta utilizadas para cúbits de iones atrapados y la banda C de telecomunicaciones para la transmisión por fibra de baja pérdida. El uso de cristales PPLN especialmente diseñados ha demostrado una conversión tanto ascendente como descendente a nivel de fotón único entre 422 nm (emisión de Sr+) y 1550 nm. Esto proporciona un componente crucial para la construcción de redes µm 5
cuánticas de µm para facilitar la distribución de claves cuánticas µm (QKD). Esta aplicación requiere una conversión eficiente entre las transiciones atómicas de longitud de onda corta utilizadas para cúbits de iones atrapados y la
banda C de telecomunicaciones para la transmisión por fibra de baja pérdida. El uso de cristales PPLN especialmente diseñados ha demostrado una conversión tanto ascendente como descendente a nivel de fotón único entre 422 nm (emisión de Sr+) y 1550 nm. Esto proporciona un componente crucial para la construcción de redes cuánticas de µm .
Conclusión
Los sistemas láser basados en cristales NLO se han utilizado en numerosas aplicaciones cuánticas µm . El cristal MgO:PPLN presenta el coeficiente no lineal efectivo más alto entre los cristales NLO comerciales y es el cristal predilecto para aplicaciones en el rango de 380 nm a 5 μm. Sin embargo, cuando se requiere una potencia muy alta (p. ej., >3 W CW a 532 nm) o longitudes de onda fuera del rango óptico, se pueden utilizar cristales KTP, BBO y LBO.
La generación de frecuencia no lineal es una forma eficiente de obtener las longitudes de onda de salida deseadas con bajo ruido de fase, alta calidad de haz y ancho de línea estrecho para QT. Como proveedor líder de productos de conversión de longitud de onda basados en PPLN, Covesion ofrece asesoramiento sobre soluciones específicas para cada cliente, así como soporte técnico para su configuración, uso y optimización. Con una amplia gama de productos COTS, como se muestra en el diagrama a continuación, y con capacidad de diseño y fabricación a medida para artículos no disponibles en stock, Covesion es su socio ideal para cubrir la más amplia gama de aplicaciones de conversión de longitud de onda.
Referencias
- M. Odstrcil, et al., “Imágenes difractivas coherentes pticográficas no lineales”, Optics Express, págs. 20245-20252, 2016.
- Hsiang-Yu Lo, et. al, “Sistemas láser de onda continua de estado sólido para ionización, enfriamiento y manipulación cuántica del estado µm de iones µm de berilio”, Applied Physics B, vol. 114, págs. 17-25, 2014.
- Diviya Devani, et al., “Detección de gravedad: trampa de átomos fríos a bordo de un CubeSat 6U”, CEAS Space Journal, vol. 12, pág. 539–549, 2020.
- Sam A. Berry, et al, “Guías de ondas de cresta en cubos indifundidas con Zn en MgO:PPLN que generan 1 vatio de SHG de 780 nm con una eficiencia del 70 %”, OSA Continu µm , vol. 2, n.º 12, págs. 3456-3464, 2019.
- Thomas A. Wright, et al., “Interfaz fotónica bidireccional para vincular la transición Sr+ a 422 nm con la telecomunicación”, Phys. Rev. Applied, vol. 10, p. 044012, 2018.
