Generering af enkeltfotoner i høj kvalitet til kvanteberegning

MIT -forskere har designet en måde at generere, ved stuetemperatur, flere enkeltfotoner til at transportere kvanteinformation. Designet, de siger, holder løfte om udviklingen af ​​praktiske kvantecomputere.

Kvantemittere genererer fotoner, der kan detekteres en ad gangen. Forbrugerkvantecomputere og -enheder kan potentielt udnytte visse egenskaber ved disse fotoner som kvantebits ("qubits") til at udføre beregninger. Mens klassiske computere behandler og gemmer oplysninger i bits på enten 0'er eller 1'er, qubits kan være 0 og 1 samtidigt. Det betyder, at kvantecomputere potentielt kan løse problemer, der er vanskelige for klassiske computere.

En vigtig udfordring, imidlertid, producerer enkeltfotoner med identiske kvanteegenskaber - kendt som "ikke skelnes" fotoner. For at forbedre skelnen, udsender lys gennem et optisk hulrum, hvor fotoner hopper frem og tilbage, en proces, der hjælper med at matche deres egenskaber til hulrummet. Generelt, de længere fotoner bliver i hulrummet, jo mere de matcher.

Men der er også en afvejning. I store hulrum, kvanteemittere genererer fotoner spontant, hvilket resulterer i, at kun en lille brøkdel af fotoner bliver i hulrummet, gør processen ineffektiv. Mindre hulrum udtrækker højere procentdele af fotoner, men fotoner er af lavere kvalitet, eller "skelnes".

I et papir, der blev offentliggjort i dag i Fysisk gennemgangsbreve , forskerne delte et hulrum i to, hver med en bestemt opgave. Et mindre hulrum håndterer effektiv ekstraktion af fotoner, mens et vedhæftet stort hulrum gemmer dem lidt længere for at øge skelnen.

Sammenlignet med et enkelt hulrum, forskernes koblede hulrum genererede fotoner med omkring 95 procent, der ikke kan skelnes, sammenlignet med 80 procent, der ikke kan skelnes, med omkring tre gange højere effektivitet.

"Kort sagt, to er bedre end en, "siger første forfatter Hyeongrak" Chuck "Choi, en kandidatstuderende i MIT Research Laboratory of Electronics (RLE). "Det, vi fandt, er, at i denne arkitektur, vi kan adskille rollerne for de to hulrum:Det første hulrum fokuserer kun på at indsamle fotoner for høj effektivitet, mens den anden fokuserer på skelnen i en enkelt kanal. Et hulrum, der spiller begge roller, kan ikke opfylde begge målinger, men to hulrum opnår begge samtidigt. "

Deltagelse i Choi på papiret er:Dirk Englund, lektor i elektroteknik og datalogi, en forsker i RLE, og leder af Quantum Photonics Laboratory; Di Zhu, en kandidatstuderende i RLE; og Yoseob Yoon, en kandidatstuderende på Institut for Kemi.

De relativt nye kvanteudledere, kendt som "enkelt-foton-emittere, "er skabt af fejl i ellers rene materialer, såsom diamanter, dopede carbon nanorør, eller kvantepunkter. Lys fremstillet af disse "kunstige atomer" fanges af et lille optisk hulrum i fotonisk krystal - en nanostruktur, der fungerer som et spejl. Nogle fotoner undslipper, men andre hopper rundt i hulrummet, som tvinger fotoner til at have de samme kvanteegenskaber - hovedsageligt forskellige frekvensegenskaber. Når de måles til at matche, de forlader hulrummet gennem en bølgeleder.

Men enkeltfotonudsendere oplever også masser af miljøstøj, såsom gittervibrationer eller elektrisk ladningsudsving, der producerer forskellig bølgelængde eller fase. Fotoner med forskellige egenskaber kan ikke "interfereres, "sådan at deres bølger overlapper hinanden, resulterer i interferensmønstre. Dette interferensmønster er dybest set, hvad en kvantecomputer observerer og måler for at udføre beregningsopgaver.

Fotons uadskillelighed er et mål for fotons potentiale til at forstyrre. På den måde, det er en værdifuld metrik at simulere deres anvendelse til praktisk kvanteberegning. "Selv før fotoninterferens, med uadskillelighed, vi kan angive evnen for fotoner til at forstyrre, "Siger Choi." Hvis vi kender den evne, vi kan beregne, hvad der vil ske, hvis de bruger det til kvanteteknologier, såsom kvantecomputere, kommunikation, eller repeatere. "

I forskernes system, et lille hulrum sidder fastgjort til en emitter, som i deres undersøgelser var en optisk defekt i en diamant, kaldet et "silicium-ledigt center"-et siliciumatom, der erstatter to carbonatomer i et diamantgitter. Lys frembragt af defekten opsamles i det første hulrum. På grund af sin lysfokuserende struktur, fotoner ekstraheres med meget høje hastigheder. Derefter, nanokaviteten kanaliserer fotoner til et sekund, større hulrum. Der, fotoner hopper frem og tilbage i et bestemt tidsrum. Når de når en høj skelnenhed, fotonerne forlader et delvis spejl dannet af huller, der forbinder hulrummet med en bølgeleder.

Vigtigere, Choi siger, hverken hulrum skal opfylde strenge designkrav for effektivitet eller skelnen som traditionelle hulrum, kaldet "kvalitetsfaktoren (Q-faktor)." Jo højere Q-faktor, jo lavere energitab i optiske hulrum. Men hulrum med høje Q-faktorer er teknologisk udfordrende at lave.

I undersøgelsen, forskernes koblede hulrum producerede fotoner af højere kvalitet end noget muligt enkelt-hulrumssystem. Selv når dens Q-faktor var omtrent en hundrededel af kvaliteten af ​​systemet med enkelt hulrum, de kunne opnå den samme skelnen med tre gange højere effektivitet.

Hulrummene kan indstilles for at optimere for effektivitet versus skelnen - og for at overveje eventuelle begrænsninger på Q -faktoren - afhængigt af applikationen. Det er vigtigt, Choi tilføjer, fordi nutidens emittere, der fungerer ved stuetemperatur, kan variere meget i kvalitet og egenskaber.

Næste, forskerne tester den ultimative teoretiske grænse for flere hulrum. Endnu et hulrum ville stadig håndtere den første ekstraktion effektivt, men så ville være knyttet til flere hulrum, der fotoner i forskellige størrelser for at opnå en optimal skelnen. Men der vil højst sandsynligt være en grænse, Choi siger:"Med to hulrum, der er kun en forbindelse, så det kan være effektivt. Men hvis der er flere hulrum, de flere forbindelser kan gøre det ineffektivt. Vi studerer nu den grundlæggende grænse for hulrum til brug i kvanteberegning. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.