Генерация одномодовых и двумодовых квантово сжатых состояний света с помощью вырожденного четырехволнового смешения в плазмоническом волноводе

Свет с пониженным шумом

Представьте, что вы пытаетесь уловить самый тихий шёпот в многолюдной комнате. Теперь замените шёпот на проходящую гравитационную волну или на одиночный фотон в оптическом компьютере. Обычные лазерные пучки слишком шумны для таких тонких задач. В этой статье исследуется способ приручить этот шум, сформировав специальный «тихий» свет внутри прибора, настолько малого, что помещается в нескольких тысячных долях миллиметра.

Почему важен тихий свет

Свет состоит из маленьких пакетиков — фотонов, и квантовая физика предписывает, что их приход и интенсивность всегда немного флуктуируют. Эти флуктуации задают стандартный квантовый предел — базовый уровень шума, влияющий на точность измерений и оптическую связь. В особом виде света, называемом сжатым состоянием, неопределённость в одном свойстве света уменьшается ниже этого предела за счёт увеличения в другом. Такие состояния уже помогают детекторам вроде LIGO при поиске гравитационных волн и играют ключевую роль во многих квантовых технологиях. Однако существующие устройства для генерации сжатого света обычно относительно большие и требуют длинных участков взаимодействия, что ограничивает миниатюризацию будущих квантово‑оптических схем.

Крошечный металлический волновод для квантового света

Авторы предлагают компактную металльную структуру, называемую плазмоническим волноводом, для более эффективной генерации сжатого света. Устройство состоит из двух тонких золотых полос, расположенных на стекло‑подобном материале, с ультраузкой щелью между металлическими слоями. Эта щель заполнена и покрыта органическим материалом, сильно откликающимся на интенсивный свет. Когда свет распространяется в структуре, он может возбуждать поверхностные волны, при которых поле света сцепляется с электронами в металле. Эти волны локализуют оптическое поле в области, намного меньшей длины волны, что значительно увеличивает его интенсивность внутри органического слоя и тем самым усиливает нелинейные взаимодействия, формирующие квантовые состояния.

Использование четырёх фотонов для формирования шума

Ключевой процесс — четырехволновое смешение, при котором два фотона из сильного входного пучка преобразуются в пару фотонов других цветов, называемых сигналом и идлером. Исследователи рассматривают этот процесс как классический обмен энергией и как полностью квантовое взаимодействие, влияющее на флуктуации световых полей. Они выводят и численно решают связанные уравнения для средних уровней света и для малых квантовых флуктуаций вокруг этих средних. Построив математическое описание эволюции этих флуктуаций пошагово вдоль волновода и упаковав соответствующие корреляции в ковариационные матрицы, они вычисляют, насколько сильно развивается сжатие как в одном моде (накачка), так и в совместной паре сигнал–идлер.

Как конструкция и мощность регулируют сжатие

Анализ показывает: увеличение мощности накачки усиливает четырехволновое смешение и даёт более глубокое сжатие на ещё более коротких длинах взаимодействия — вплоть до величин ниже двух микрометров. В сравнении с ранними схемами, основанными на другом нелинейном процессе — генерации второй гармоники, предложенная структура требует волновода примерно в тысячу раз короче, чтобы достичь сопоставимого уровня снижения шума. Авторы также исследуют практические ограничения: потери в металле и окружающих материалах действуют как малые полупрозрачные зеркала, постоянно смешивающие вакуумный шум и ослабляющие сжатие. Они моделируют это влияние и показывают, что хотя потери ухудшают характеристики, сильное сжатие остаётся возможным при тех очень коротких длинах устройства, которые допустимы благодаря интенсивной локализации поля.

Форма щели для лучшей работы

Ширина щели между золотыми слоями оказывается важным элементом настройки. Уже щели сильнее сжимают оптическое поле в органическом материале, повышая локальную интенсивность поля и увеличивая эффективность четырехволнового смешения. По мере расширения щели пиковое электрическое поле падает, нелинейное взаимодействие ослабевает, и как величина сжатия, так и скорость его развития уменьшаются. Моделирование показывает, что щели в диапазоне 50–70 нанометров дают наилучший компромисс между сильным сжатием и реалистичностью изготовления, особенно с учётом последних достижений в нанофабрикации.

Небольшая платформа для будущих квантовых чипов

Проще говоря, эта работа показывает, как построить очень небольшой, но эффективный «скульптор шума» для света, используя металлический слот всего в несколько десятков нанометров. Комбинируя экстремальную локализацию поля с высокочувствительным органическим материалом, предложенный плазмонический волновод может генерировать и одномодовые, и парные сжатые состояния на длине, значительно меньшей, чем требуется в более традиционных устройствах. Хотя оптические потери и технологические сложности изготовления остаются, результаты указывают на ясный путь к компактным компонентам на чипе, поставляющим тихий квантовый свет для сенсоров, коммуникаций и обработки информации.

Цитирование: Ghasempour Ardakani, A., Bornak, H. Generation of single-mode and two-mode quantum squeezed states of light by degenerate four-wave mixing in a plasmonic waveguide. Sci Rep 16, 16684 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45164-2

Ключевые слова: сжатый свет, плазмонический волновод, четырехволновое смешение, квантовая фотоника, нанофотоника