納米光子頻率轉換器的假彩色掃描電子顯微照片，該轉換器包含一個環形諧振器(藍色陰影部分)，用波導(紅色部分)將光注入到環形諧振器中。輸入信號用紫色箭頭表示，通過採用兩個泵浦雷射器(亮紅色和暗紅色箭頭)轉換為新的頻率(藍色箭頭)。
將單個光子從一個顏色或頻率轉換到另一個顏色或頻率是量子通信中的一個重要工具，它利用光子(光的粒子)的亞原子特性之間的微妙關係來安全地存儲和傳遞信息。國家標準與技術研究所的科學家們現在使用類似於製造計算機晶片的技術已經開發出一種小型化的頻率轉換器。
這個微小的器件，將有助於提高安全性和增加下一代量子通信系統的工作距離，可以進行調整使其適用於各種各樣的用途，也使其易於與其他信息處理元件的集成，並且可以大規模生產。
這個新的納米尺度的光頻轉換器有效地將光子從一個頻率轉換到另一個頻率同時只消耗少量的功率和增加一個非常低的噪音水平，即背景光與輸入信號不相關。
頻率轉換器是解決兩個問題的關鍵。量子系統生成和存儲信息的最佳頻率通常遠遠高於在光纖中將這些信息傳輸公裡以上的距離時所需的頻率。在這些頻率之間轉換光子需要進行幾百個太赫茲的頻移(一太赫茲等於每秒一萬億個波周期)。
當兩個本來打算是完全一樣的量子系統的形狀和組成具有一個小的變化時，一個更小但仍然很關鍵的頻率失配就出現了。這些變化導致系統產生的光子在頻率上會有輕微的不同而不是量子通信網絡可能需要的精確複製。
這個新的光子頻率轉換器，作為一個納米光子工程的實例，同時解決了這兩個問題，QingLi, Marcelo Davan?o和Kartik Srinivasan在《NaturePhotonics》雜誌上報導說。該晶片集成裝置的關鍵部件是一個微小的環形諧振腔，其具有約80微米的直徑(略小於人類頭髮的寬度)和零點幾微米的厚度。這個由氮化矽製成的環的形狀和尺寸被進行了優化，以提高材料將光從一個頻率轉換到另一個頻率的固有特性。這個環形諧振腔由兩個泵浦雷射器驅動，每一個雷射器工作在獨立的頻率上。在一個被稱為四波混頻布拉格散射的體系中，一個進入該環型諧振器的光子的頻率會有一個變化，其變化的量等於這兩個泵浦雷射器的頻率差。
就像在賽道上騎車一樣，入射光在從諧振器裡面出來之前已經環行了數百次，這極大地提高了設備在低功率和低背景噪聲下轉換光子頻率的能力。與以往的實驗中需要用幾瓦的功率不同，該系統僅消耗約百分之幾瓦的功率。更重要的是，增加的噪音的量足夠低，從而可以用在未來使用單光子源的實驗中。
雖然其他的技術已經被應用到頻率轉換上，「納米光子技術也有它的好處，它有可能使設備更小，更容易定製，更低的功耗，和兼容批量製造技術，」Srinivasan說。「我們的工作是第一個適合這個艱巨的量子頻率轉換任務的納米光子技術的示範。」
這項工作是由NIST納米科學與技術中心的研究人員完成的。