Forskere udvikler single-photon converter - en nøglekomponent i kvanteinternet

Et polsk-britisk team af fysikere har konstrueret og testet en kompakt, effektiv omformer, der er i stand til at ændre kvanteegenskaberne for individuelle fotoner. Den nye enhed skal lette konstruktionen af ​​komplekse kvantecomputere, og i fremtiden kan blive et vigtigt element i globale kvantenetværk, efterfølgerne til nutidens internet.

Quantum internet og hybrid quantum computere, bygget ud af delsystemer, der fungerer ved hjælp af fysiske fænomener, er nu mere end bare fantasi. I en artikel offentliggjort i Natur fotonik , fysikere fra University of Warszawa's Faculty of Physics (FUW) og University of Oxford rapporterer udviklingen af ​​et nøgleelement i sådanne systemer:en elektro-optisk enhed, der gør det muligt at ændre egenskaberne af individuelle fotoner. I modsætning til eksisterende laboratoriekonstruktioner, denne nye enhed fungerer med tidligere uopnåelig effektivitet og er samtidig stabil, pålidelig og kompakt.

At bygge en effektiv enhed til at ændre kvantetilstanden for individuelle fotoner var en usædvanligt udfordrende opgave, givet de grundlæggende forskelle mellem klassisk og kvanteberegning.

Moderne computersystemer er baseret på behandling af grupper af bits, som hver især er i en bestemt tilstand:enten 0 eller 1. Grupper af sådanne bits overføres løbende mellem forskellige underkomponenter inden for en enkelt computer, og mellem forskellige computere på netværket. Vi kan illustrere dette figurativt ved at forestille os en situation, hvor bakker med mønter flyttes fra sted til sted, med hver mønt, der enten viser hoveder eller haler.

Tingene er mere komplicerede i kvanteberegning, som bygger på fænomenet superposition af stater. En kvantebit, kendt som en qubit, kan være både i 1-tilstand og 0-tilstand på samme tid. For at udvide metaforen om mønterne, dette er analogt med en situation, hvor hver mønt snurrer på kanten. Informationsbehandling kan beskrives som "kvante"-behandling, så længe denne superposition af tilstande bibeholdes under alle operationer – med andre ord, så længe ingen af ​​mønterne bliver tippet ud af roterende tilstand, mens bakken flyttes.

"I de seneste år, fysikere har fundet ud af, hvordan man genererer lysimpulser med en bestemt bølgelængde eller polarisering, bestående af et enkelt kvante - eller excitation - af det elektromagnetiske felt. Og så i dag, vi ved, hvordan vi genererer præcis den slags kvante 'spinningmønter', vi ønsker, "siger Dr. Michal Karpinski fra Institute of Experimental Physics (FUW), en af ​​forfatterne til publikationen. "Men når man opnår én ting, får man altid lyst til mere. Hvis vi nu har individuelle lyskvante med specifikke egenskaber, det ville være nyttigt at ændre disse egenskaber. Opgaven er derfor at tage en spinnende sølvmønt og flytte den fra et sted til et andet, mens du hurtigt og præcist forvandler den til en guldmønt, naturligvis uden at vælte det. Du kan let se, at problemet er utriveligt. "

Eksisterende metoder til modifikation af individuelle fotoner har anvendt ikke -lineære optiske teknikker - i praksis forsøger at tvinge en individuel foton til at interagere med en meget stærk optisk pumpestråle. Om fotonet faktisk bliver ændret, er et spørgsmål om ren tilfældighed. I øvrigt, spredning af pumpestrålen kan forurene strømmen af ​​individuelle fotoner. Ved konstruktionen af ​​den nye enhed, gruppen fra University of Warszawa og University of Oxford besluttede at bruge et andet fysisk fænomen:den elektro-optiske effekt, der forekommer i visse krystaller. Det giver en måde at ændre brydningsindekset for lys i krystallen ved at variere intensiteten af ​​en ekstern magnetisk kraft, der påføres den (med andre ord, uden at indføre yderligere fotoner).

"Det er ganske forbløffende, at for at ændre kvanteegenskaberne for individuelle fotoner, vi kan med succes anvende teknikker, der meget ligner dem, der bruges i standard fiberoptisk telekommunikation, "Dr. Karpinski siger.

Ved at bruge den nye enhed, forskerne opnåede en seks gange forlængelse af varigheden af ​​en enkeltfotonpuls uden at forstyrre kvantesuperpositionen, hvilket automatisk betyder en indsnævring af dets spektrum. Det, der er særligt vigtigt, er, at hele operationen blev udført med en meget høj konverteringseffektivitet bevaret. Eksisterende konvertere har kun opereret under laboratorieforhold og var kun i stand til at ændre en ud af flere titalls fotoner. Den nye enhed arbejder med en effektivitet på over 30 procent, op til 200 gange bedre end visse eksisterende løsninger, samtidig med at det bevarer et lavt støjniveau.

"I bund og grund vi behandler hver foton, der kommer ind i krystallen. Effektiviteten er mindre end 100 procent ikke på grund af fænomenets fysik, men på grund af vanskeligt undgåelige tab af rent teknisk art, optræder, for eksempel, når lys kommer ind eller ud af optiske fibre, "forklarer ph.d. -studerende Michal Jachura (FUW).

Den nye konverter er ikke kun effektiv og støjsvag, men også stabil og kompakt. Enheden kan være indeholdt i en æske på omkring 10 cm (4 in.), let at installere i et optisk fiber system, der kanaliserer individuelle fotoner. En sådan enhed kunne gøre det muligt at bygge sådanne ting som hybride kvantecomputere, hvis individuelle delkomponenter ville behandle information ved hjælp af forskellige fysiske platforme og kvantefænomener. På nuværende tidspunkt, der bliver gjort forsøg på at bygge kvantecomputere ved hjælp af ting som fangede ioner, elektron spinder i diamant, kvanteprikker, superledende elektriske kredsløb, og atomskyer. Hvert system interagerer med lys af forskellige egenskaber, som i praksis udelukker optisk transmission af kvanteinformation mellem forskellige systemer. Den nye konverter, på den anden side, kan effektivt transformere enkelt-foton-impulser af lys, der er kompatible med et system, til impulser, der er kompatible med et andet. Forskere arbejder derfor mod kvante netværk, begge små inden for en enkelt kvantecomputer (eller subkomponent deraf), og globale, der giver en måde at sende data helt sikkert mellem kvantecomputere placeret i forskellige dele af verden.