De flerfarvede fotoner, der kan ændre kvanteinformationsvidenskaben

Med førende virksomheder nu investerer i meget dyre og komplekse infrastrukturer for at frigøre kraften fra kvanteteknologier, INRS-forskere har opnået et gennembrud i et letvægts fotonisk system skabt ved hjælp af on-chip-enheder og off-the-shelf telekommunikationskomponenter. I deres papir udgivet i Natur , holdet demonstrerer, at fotoner kan blive en tilgængelig og kraftfuld kvanteressource, når de genereres i form af farvesammenfiltrede quDits.

Systemet bruger en lille og omkostningseffektiv fotonisk chip fremstillet gennem processer, der ligner dem, der bruges til integreret elektronik. Med en on-chip mikroringresonator exciteret af en laser, fotoner udsendes i par, der deler en kompleks kvantetilstand. Fotonerne er konstrueret i en tilstand med et antal overlejrede frekvenskomponenter:Fotonerne har flere farver samtidigt, og farverne på hver foton i et par er forbundet (sammenfiltret), uanset deres adskillelsesafstand.

Med hver frekvens – eller farve – repræsenterer en dimension, fotonerne genereres på chip som en højdimensionel kvantetilstand (quDit). Så langt, kvanteinformationsvidenskaben har stort set fokuseret på udnyttelsen af ​​qubits, baseret på todimensionelle systemer, hvor to tilstande er overlejret (f.eks. 0 OG 1 på samme tid, i modsætning til klassiske dele, som er 0 ELLER 1 til enhver tid). At arbejde i frekvensdomænet tillader overlejring af mange flere tilstande (f.eks. en højdimensionel foton kan være rød OG gul OG grøn OG blå, selvom de fotoner, der blev brugt her, var infrarøde for telekommunikationskompatibilitet), øge mængden af ​​information i en enkelt foton.

Til dato, Professor Roberto Morandotti, der leder INRS forskningsteam, bekræfter realiseringen af ​​et kvantesystem med mindst hundrede dimensioner ved hjælp af denne tilgang, og den udviklede teknologi kan let udvides til at skabe to-quDit-systemer med mere end 9, 000 dimensioner (svarende til 12 qubits og derover, sammenlignelig med den nyeste teknologi i væsentligt dyrere/komplekse platforme).

Brugen af ​​frekvensdomænet til sådanne kvantetilstande muliggør deres lette transmission og manipulation i optiske fibersystemer. "Ved at fusionere felterne kvanteoptik og ultrahurtig optisk behandling, vi har vist, at højdimensionel manipulation af disse tilstande faktisk er mulig ved brug af standard telekommunikationselementer som modulatorer og frekvensfiltre, " understreger telekommunikationssystemekspert professor José Azaña, medvejleder for den udførte forskning.

Indtil nu, fremskridt inden for etablerede teknologier til telekommunikationssektoren var målrettet mod manipulation af klassiske signaler. Denne forskning er en game-changer:Fremskridtene kan umiddelbart overføres til kvantevidenskab og vil direkte muliggøre fundamentale undersøgelser af højdimensionelle kvantetilstandskarakteristika, applikationer inden for fiberbaseret kvantekommunikation med stort alfabet, og den fremtidige udvikling af frekvensdomæne, højdimensionelle kvantelogiske porte og andre applikationer.

Ledende forfattere Michael Kues og Christian Reimer bemærker, at et højdepunkt ved den demonstrerede platform er dens tilgængelighed:Det er nemt at bygge og udnytter komponenter, der bruges i standard telekommunikationssystemer, der er kommercielt tilgængelige overalt. Dermed, på kort sigt, forskere over hele verden vil være i stand til at inkorporere og skubbe denne teknologi fremad, muliggør et spring i udviklingen af ​​praktiske kvanteapplikationer.