Store grupper af fotoner efter behov - svarende til fotonisk integreret kredsløb

Fysikere fra fakultetet for fysik ved universitetet i Warszawa har udviklet en holografisk atomhukommelsesenhed, der er i stand til at generere enkelte fotoner efter behov i grupper på flere dusin eller mere. Enheden, med succes demonstreret i praksis, overvinder en af ​​de grundlæggende forhindringer for konstruktionen af ​​en kvantecomputer.

Fuldstændig sikker, højhastigheds kvantekommunikation og kvanteberegning er blandt de mulige anvendelser for denne nye kilde til enkelte fotoner. Det er den første enhed, der muliggør on-demand produktion af en præcist kontrolleret gruppe af fotoner, i modsætning til kun en enkelt.

"Sammenlignet med eksisterende løsninger og ideer, vores enhed er meget mere effektiv og giver mulighed for integration i større skala. I funktionel forstand, man kan endda tænke på det som en første ækvivalent til et lille integreret kredsløb, der opererer på enkelte fotoner, " forklarer Dr. Wojciech Wasilewski (UW Physics), en af ​​forfatterne til en artikel publiceret i Fysisk gennemgangsbreve .

De første enkeltfotonkilder blev opfundet i 1970'erne, og selvom de mange typer, der findes i dag, stadig har mange ulemper, enkelte fotoner anvendes med succes i kvantekommunikationsprotokoller, der garanterer fuld fortrolighed. Imidlertid, at kunne udføre komplekse kvanteberegninger kræver grupper af fotoner.

Den enkleste metode til at generere grupper af fotoner er at bruge et tilstrækkeligt stort antal kilder. Nuværende enheder udnytter fænomenet spontan parametrisk nedkonvertering (SPDC). Under visse betingelser, en foton genereret af en laser kan opdeles i to nye, hver med halvdelen af ​​mængden af ​​energi, og med alle andre egenskaber forbundet med principperne om at bevare energi og momentum. Dermed, når information er kodet på en af ​​fotonerne fra parret, egenskaberne for den anden foton er kendt, som ikke desto mindre forbliver uforstyrrede af observation og derfor perfekt egnede til kvanteoperationer. Desværre, hver SPDC-kilde genererer enkelte fotoner langsomt og ganske tilfældigt.

I 2013 et hold fysikere fra universiteterne i Oxford og London foreslog en meget mere effektiv protokol til generering af grupper af fotoner. Ideen var at placere en kvantehukommelse ved hver kilde, som ville være i stand til at lagre udsendte fotoner, som så kunne frigives i samme øjeblik. Beregninger viste, at den tidsskala, der kræves for at udsende en gruppe på 10 fotoner, ville blive forkortet med hele 10 størrelsesordener - fra år til mikrosekunder.

Kilden udviklet af University of Warszawa fysikere repræsenterer den første implementering af dette koncept. Her, alle fotonerne skabes umiddelbart i kvantehukommelsen som et resultat af en laserimpuls, der kun varer mikrosekunder. Eksterne kilder til enkelte fotoner er ikke længere nødvendige, og det nødvendige antal kvantehukommelser reduceres til kun én.

"Hele vores eksperimentelle opsætning fylder omkring to kvadratmeter af vores optiske bordflade. Men de vigtigste begivenheder finder sted i selve hukommelsen, i en glascylinder, der måler ca. 10 cm i længden og med en diameter på 2,5 cm. Enhver, der kunne forvente at se inde i cylinderen et sofistikeret design, vil blive meget skuffet:Det indre af cellen er kun fyldt med par af rubidium atomer 87Rb ved 60 til 80 grader Celsius", siger Michal Dabrowski, en ph.d. studerende på UW Physics.

Enheden er en rumlig multimode-hukommelse:Individuelle fotoner kan placeres, opbevaret, behandlet og aflæst i forskellige områder inde i cylinderen, fungerer som separate hukommelsesskuffer. Skriveoperationen, udføres med en laserstråle, virker ved at bevare et hologram i form af atomare excitationer. Belysning af systemet med laseren giver forskere mulighed for at rekonstruere hologrammet og læse hukommelsens indhold.

I forsøgene, den nye kilde genererede en gruppe på op til 60 fotoner. Beregninger viser, at under realistiske forhold, brugen af ​​lasere med højere effekt kunne øge dette antal op til flere tusinde. (Beregningerne involveret i dataanalysen fra dette eksperiment var af så stor kompleksitet, at de krævede en regnekraft på 53, 000 netkerner af PL-Grid Infrastructure).

På grund af støj, tab og andre parasitære processer, kvantehukommelsen fra UW Physics kan lagre fotoner fra flere til titusinder af mikrosekunder. Selvom denne periode virker ubetydelig, der er systemer, der gør det muligt at udføre simple operationer på fotoner på nanosekunder. I den nye kvantehukommelse, forskere kan, i princippet, udføre flere hundrede operationer på hver foton, hvilket er tilstrækkeligt til kvantekommunikation og informationsbehandling.

At have en sådan arbejdskilde med store grupper af fotoner er et vigtigt skridt i retning af at konstruere en type kvantecomputer, der er i stand til at udføre beregninger på meget kortere tid end de bedste moderne computermaskiner. For flere år siden, det blev vist, at udførelse af simple lineære optiske operationer på fotoner kan øge hastigheden af ​​kvanteberegning. Kompleksiteten af ​​disse beregninger afhænger af antallet af fotoner, der behandles samtidigt. Imidlertid, begrænsningerne af kilderne til store grupper af fotoner forhindrede lineær kvantecomputerudvikling, begrænser dem til elementære matematiske operationer.

Ud over kvanteberegninger, det fotoniske integrerede kredsløb kan være nyttigt i kvantekommunikation. I øjeblikket, dette involverer at sende enkelte fotoner ved hjælp af en optisk fiber. Den nye kilde ville tillade mange fotoner at komme ind i den optiske fiber samtidigt, og derfor ville øge kapaciteten af ​​kvantekanaler.