25岁清华校友发表Nature一作论文,弥补吉赫兹波段的空白,可用于构建量子网络和光量子计算机

多加 / 2021-12-03 20:44:53

25岁清华校友发表Nature一作论文,弥补吉赫兹波段的空白,可用于构建量子网络和光量子计算机
原创 多加 DeepTech深科技 2021-12-03 18:11
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2018 年 7 月,刚刚从清华大学物理系毕业的本科生胡耀文即将开始自己博士阶段的学习。在面对的博士阶段研究方向上的诸多选择,胡耀文最终决定来到哈佛大学,在马可·隆卡(Marko Loncar)教授组攻研集成铌酸锂光子学方向。


对物理系的毕业生来说,集成铌酸锂光子学当时并不是研究的主流。但胡耀文认为,研究这个领域的问题会对光学芯片的发展很有意义。他说:“或许对一些人而言,研究物理的乐趣只是在于探寻自然的规律与美;但于我而言,我更希望我的研究能够用自己的物理知识带来实际的应用,对他人、对社会有益。”


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图 | 胡耀文(来源:胡耀文)

 

2021 年 11 月 24 日,25 岁的胡耀文,迎来人生首篇担任一作的 Nature 论文,论文题为《片上光电频移器和分束器》(On-chip electro-optic frequencyshifters and beam splitters)。


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图 | 相关论文(来源:Nature)

 

发现全新光学器件——频率的移相器和分束器

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胡耀文表示,该论文涉及到光学芯片,研究中他发现了一类全新的光学器件——频率的移相器和分束器。该器件可操纵光的频率,操纵方式既高效又简洁。

 

目前,光学领域的各种应用,都基于在光子的各个自由度上进行操纵。比如,用器件来操纵光子位置,使它保持在某个路径,然后用路径来编码一些信息实现通信。还可操纵光子偏振,使光场保持纵向振动或横向振动,来实现各种功能。


图片(来源:Nature)


偏振、位置以及频率都是光子的自由度。该研究要解决的问题在于,尽管偏振,位置等各种自由度都有着很好的基础器件来控制,对频率的操控一直都不尽如人意,原因是在操控频率时需要改变光子的能量。而能量是守恒的,因此改变光的能量需要复杂的非线性过程。

 

因此,这一过程不像操纵偏振和位置那么简单。这也是胡耀文打算做频率的移相器和分束器的原因,因为它们俩代表着光子频率操纵最基本的两种方式,而别的操纵方式都可由这两种操纵方式衍生出来。

 

对比来说,它的作用就相当于在光的偏振里面的半波片、1/4 波片、以及偏振片一样基础。在光的频率操控中,移相器的作用是把光的频率从一个频率完全转化成另外一个频率,而分束器的作用指把光的频率成功分散在两个其他频率上,同时保持双向性。这里面涉及到光的频率移相的尺度,即到底对光的频率改变多大。

 

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(来源:Nature)

 

频率的尺度可分为三部分:兆赫兹(MHz)、吉赫兹(GHz)和太赫兹(THz)。赫兹是频率的单位,这三个波段分别有不同的器件。兆赫兹一般使用声学器件来实现,这时光子会吸收一个声子的能量来改变自身能量。

 

对于更高的太赫兹,一般使用全光学器件来实现,这时光子会吸收别的光子能量来改变自身能量。然而,处于中间的吉赫兹波段,基本不存在很好的频率移相器和分束器。

 

原因有两点:首先,高频段方法和低频段方法,都难以到达这一波段。也就是全光学手段很难降到此波段,声学手段则很难升到此波段;其次,能达到这一波段的其他方法,要么效率很低,要么需要很复杂的信号,导致相应的频移尺度比较低。但是,吉赫兹波段非常重要,它是目前所有电子器件都能兼容的波段。


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(来源:Nature)


当前的光通讯就是在吉赫兹波段。因此,胡耀文在该研究中制备的第一个器件,正是要解决上述问题。他说,我们的器件只需一个简单的单频连续微波就可以实现 30 GHz,而且效率很高基本在 90%,此外操作上也非常简单,无需其他复杂信号,而复杂信号往往需要更昂贵或更困难的手段来生成。

 

做第一个器件时他提出了广义临界条件的理论,该理论延伸出的第一个应用便是该器件。由于该理论的用途比较广泛,所以胡耀文把它拓展到了一种级联效应(cascade)的理论,将频移的大小拓展到了一个全新的尺度,并制备出了第二种光学器件来实现这一级联频移理论。


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(来源:Nature)


第二个光学器件有这样一个效应:如果光的频率一开始被微波信号改变了 30 GHz,那么紧接着光就会再改变 30GHz,它会像连锁反应一样,并不会只停在第一次改变。这样,能量就会在整个频率空间流动,从而完成非常大的频移。最终在实验中,他展示了光的频率可被改变 120GHz。

 

此前在该领域里,没有任何器件能产生这样的新奇物理现象,该连锁反应相当于能量在频率空间的一连串的能级中、产生了一个单方向上的流动。

 

他表示,该物理现象是一个全新理论,同时在实验上也取得了重大突破。任何微波器件想要到达 100GHz 以上都极其困难,像他之前研究的器件,要把光的频率改变 30GHz,需要给它同样大小的 30GHz 的微波来吸收,如果想要把光的频率改变 100GHz,就要给它 100GHz 的微波,但是此前很难产生 100GHz 的微波。

 

而现在相当于只需要加 30GHz,即可达到超过 100GHz 的尺度。因此,第二个器件重点在于展现全新设备,同时也解决了领域内存在的问题。


实验结果“反直觉”,一度不敢相信

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回忆研究历程,胡耀文说在做第一个器件时,他所建立的理论和仿真所预测的现象,连导师都觉得是反直觉的。做实验之前他有点拿不准,一直担心理论会出错。在解决诸多实验细节之后,他第一次真正观测到想要的现象。

 

他表示:“当然更加酷的是第二个器件。起初我们只打算把理论做完,因为第二个器件是全新的,其功能远胜于第一个器件,但它的复杂度远高于第一个器件。”

 

包括胡耀文导师在内的专家,在看到第二个器件理论时,都觉得在实际实践中很可能会遇到很多以前没想到的问题,最后器件也未必能做出来。但是,由于该团队此前积累颇多,因此最终成功完成了第二个器件的制备并观测到了对应的现象。


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图 | 相关芯片(来源:胡耀文)

 

该研究的最初想法,由胡耀文和另一位博后共同完成。其中,要先建立理论并确认是否正确,所以他先建立广义临界条件的理论,然后又运行了仿真确认。

 

之后,他开始进入实验室制备器件,完成制备后又进行测量,经过多次测量后,他得到了想要的结果。之后第二个器件,同样经历了上述流程。

 

总的来说,研究步骤经历理论、仿真、制备器件和测量等四大步,胡耀文负责其中三大步。测量这一步由他联合论文第二、第三作者一起完成。

 

投稿过程中,第一个审稿人和第二个审稿人都很喜欢第一个器件,他们认为该器件成功地弥补了吉赫兹波段的空白。

 

可给光学网络和光学计算带来较大帮助

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在长远的时间内,本次成果具备一定的潜在应用。比如第一个器件,它的应用可以分成四部分:第一,在原子物理等基础物理的研究上,需要这种能把光改变吉赫兹频率的大的尺度,这有助于更好地操作激光,实现更好的冷却原子等;第二,微波光子学的各种研究都会获益;第三,可给光学通信带来很大帮助;第四,可用于量子技术上。在量子技术里,人们主要关心的是效率,而该器件的一个最大优势是转化效率很高,可直接用来构建量子网络和光量子计算机。

 

该研究所基于的技术,大概在最近五六年才刚兴起。胡耀文的导师是该领域的创始人之一。借助该技术,他们研发出各种集成铌酸锂光学芯片,其导师也已成立了相关公司,来落地各种铌酸锂芯片上的成果。

 

谈及未来,胡耀文表示希望能够继续在铌酸锂光学芯片领域做出更多的突破,会把精力放在解决更多当前领域的难题上。他希望自己的工作未来能够给更多的人带来帮助,希望自己可以继续努力,继续学习,做出更多更好的成果。


-End-


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支持:李传福


参考:

Hu, Y., Yu, M., Zhu, D. et al. On-chip electro-optic frequency shifters and beam splitters. Nature 599, 587–593 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03999-x


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