Kørsel af den universelle kvantebus

NIST-forskere har opnået en verdensrekord i at opdage intensiteten af ​​en ultra-svag lyskilde, svarer til mulighederne i dybrumsinstrumenterne på Hubble-rumteleskopet, men fungerer 100 gange hurtigere og med tilsvarende nøjagtighed.

De gjorde det under udviklingen af ​​en "universal quantum bus" - et nyt system til at tillade fotoniske forbindelser mellem forskellige komponenter i en kvantecomputer, som hver især kan fungere med et meget anderledes og snævert område af fotonfrekvenser. Det nye signalomdannelsesskema "giver en kvantelink mellem forskellige materialesystemer, der opererer på forskellige frekvenser, "siger Ivan Burenkov, første forfatter i en ny rapport fra et team ved NIST's Physical Measurement Laboratory, der for nylig blev offentliggjort i Optik Express .

Konventionelle computere håndterer data på flere måder i forskellige materialer:De behandler oplysninger som elektriske ladninger i siliciumchips (små transistorer i integrerede kredsløb), gem den i magnetisk form på harddiske, og overføre det som fotoner over fiberoptiske linjer. Tilsvarende kvantekredsløb skal muligvis overføre information via fotoner blandt kvantepunkter, atomerensembler, fangede ioner, eller andre materialesystemer.

Problemet er, at hver af disse komponenter reagerer på meget forskellige lysfrekvenser. Et signal produceret af en komponent, såsom en kvanteprik, skal muligvis overføres til en fanget ion, som kun er følsom over for fotoner med en meget højere frekvens end det originale pricksignal. At bygge bro over dette hul kræver en frekvensomformer, der kan bevare signalfotonernes skrøbelige kvantetilstande uden at tilføje støj.

I forfølgelsen af ​​dette mål, forskerne anvendte en optisk teknik kaldet "op-konvertering", hvor en relativt lavenergifoton-indgangssignalet-kombineres med en "pumpe" lysstråle og derefter ledes gennem en speciel "ikke-lineær" krystal. Ved at passere gennem krystallen, energierne fra både input og pumpe er forbundet, producerer en enkelt udgangsfoton med en højere frekvens og derfor højere energi. (Det er "op" i op-konvertering.)

En vedvarende vanskelighed ved teknikken er, at pumpestrålen kan indeholde så meget strøm, at når den rammer krystallen, genererer den en stor mængde "støj" i form af uønskede fotoner, der kan oversvømme de sarte kvantetilstande.

"Vi løste det problem, da vi fandt ud af, at adskillelsen mellem pumpefrekvens og signalfrekvens skulle være temmelig stor for at få en relativt lydløs up-converter, "Siger Burenkov.

Projektteamet brugte en pumpestråle af kontinuerlig, højeffektlys ved en standard telebølgelængde på 1550 nanometer (nm, milliarder af en meter), og fusionerede det med inputfotoner ved en nær-infrarød bølgelængde på 920 nm. Den op-konverterede output-foton var en synlig gul med en bølgelængde på 577 nm. Den brede adskillelse mellem disse bølgelængder reducerede væsentligt baggrundsemission.

Men det efterlod stadig den formidable vanskelighed at opdage og måle de resterende, meget lille, baggrund. Forskerne fandt ud af, at deres upconverter producerer baggrundsfoton med en hastighed på cirka 100 i timen. Det svarer i skala til det svage lys, der kommer fra de svageste fjerne astronomiske objekter.

Optagelse og karakterisering af sådant svagt lys kræver en udsøgt følsom fotondetektor. Teamet brugte en enhed, udviklet på NIST's Boulder, Colo., universitetsområde, kaldes en overgangskantsensor (TES). Det drives ved 0,1 kelvin over absolut nul, og indeholder et tyndt lag af superledende materiale, hvorigennem der strømmer en lille strøm. Når en foton rammer strengen, det hæver kortvarigt temperaturen, forårsager en stigning i elektrisk modstand og et tilsvarende fald i strøm, der registreres som en bølgeform. Forskellige bølgelængder producerer bølgeformer, der er mærkbart forskellige, og den forskel kan bruges til at skelne mellem støj. NIST-forskerne var i stand til at kalibrere TES ved at bestemme, hvilke bølgeformer der var forbundet med forskellige baggrundsfotonbølgelængder.

Selv det, imidlertid, ikke var tilstrækkelig til fuldt ud at karakterisere baggrunden, fordi TES -detektorer, ligesom alle enkeltfotonsensordesigner, er udsat for en vedvarende fejlkilde kaldet et "mørkt tal" - et signal, der registreres, når der ikke er nogen foton i virkeligheden, på grund af tilfældige termiske eller andre effekter i detektoren.

Teamets konverterdesign tillader detektoren at køre på en måde, der resulterer i en meget reduceret mørketællingshastighed. Fordi højenergien, op-konverterede outputfoton registrerer sig som større toppe i detektoren end de fleste lavenergimørke, det er muligt at justere detektorsystemet, så det filtrerer alle signaler, der falder under en bestemt energitærskel, ud. På den måde kasseres mange falske signaler, før de tælles. Men det var tilbage at finde en måde at skelne de resterende mørke tællinger fra baggrundsfotoner.

For at opnå det, forskerne registrerede 10, 000 bølgeformer fra opkonverterede fotoner, samt bølgeformer fra baggrundsstøj alene og bølgeformer fra mørke tællinger alene. De fandt ud af, at både baggrundsfotoner og mørke optællinger havde bølgeformer, der var tydeligt forskellige i amplitude og form fra de opkonverterede outputfotoner, og justerede detektorsystemet til at afvise begge.

Resultatet var et tusind gange fald i mørke tæller, hvilket gjorde det muligt for teamet at foretage svage lysmålinger med rekord absolut nøjagtighed på en brøkdel af den tid, der tidligere var påkrævet.

"På Hubble -rumteleskopet, de indsamler data om ekstremt svage dybe rumobjekter i et par måneder, "siger medforfatter Sergey Polyakov." Vi indsamler sammenlignelige data i mindre end 24 timer, men med lige eller endnu bedre nøjagtighed. "

Opkonverteringsskemaet kan bruges til forskellige bølgelængder med passende ændringer. Til sidst, Burenkov siger, det kunne blive en universel kvantebus.