Næste generations single-foton kilde til kvanteinformationsvidenskab

I løbet af de sidste to årtier har der er gjort enorme fremskridt inden for kvanteinformationsvidenskab. Forskere udnytter kvantemekanikkens mærkelige natur til at løse vanskelige problemer inden for computing og kommunikation, samt til detektering og måling af sarte systemer. En forskningsvej på dette område er behandling af optisk kvanteinformation, som bruger fotoner - bittesmå lyspartikler, der har unikke kvanteegenskaber.

En vigtig ressource til at fremme forskning inden for kvanteinformationsvidenskab ville være en kilde, der effektivt og pålideligt kunne producere enkeltfotoner. Imidlertid, fordi kvanteprocesser i sagens natur er tilfældige, at skabe en fotonkilde, der producerer enkeltfotoner på forespørgsel, er en udfordring ved hvert trin.

Nu har University of Illinois Physics Professor Paul Kwiat og hans tidligere postdoktorforsker Fumihiro Kaneda (nu adjunkt ved Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences ved Tohoku University) bygget, hvad Kwiat mener er "verdens mest effektive enkelt-foton kilde." Og de forbedrer det stadig. Med planlagte opgraderinger, apparatet kunne generere op til 30 fotoner ved en hidtil uset effektivitet. Kilder til den kaliber er præcis, hvad der er nødvendigt for optiske kvanteinformationsapplikationer.

Forskernes nuværende fund blev offentliggjort online i Videnskab fremskridt den 4. oktober, 2019.

Kwiat forklarer, "En foton er den mindste lysenhed:Einsteins introduktion af dette koncept i 1905 markerede begyndelsen på kvantemekanikken. I dag, fotonet er en foreslået ressource inden for kvanteberegning og kommunikation - dets unikke egenskaber gør det til en glimrende kandidat til at fungere som en kvantebit, eller qubit. "

"Fotoner bevæger sig hurtigt-perfekt til langdistanceoverførsel af kvantetilstande-og udviser kvantefænomener ved den normale temperatur i vores hverdag, "tilføjer Kaneda." Andre lovende kandidater til qubits, såsom fangede ioner og superledende strømme, er kun stabile under isolerede og ekstremt kolde forhold. Så udviklingen af ​​on-demand single-foton kilder er afgørende for at realisere kvante netværk og kan muliggøre små rumtemperatur kvante processorer. "

Til dato, den maksimale generationseffektivitet af nyttige indvarslede enkeltfotoner har været ret lav.

Hvorfor? Kvanteoptikforskere bruger ofte en ikke-lineær optisk effekt kaldet spontan parametrisk nedkonvertering (SPDC) til at producere fotonpar. I en designet krystal, inden for en laserpuls, der indeholder milliarder af fotoner, en enkelt højenergifoton kan opdeles i et par lavenergifotoner. Det er afgørende at producere et fotonpar:den ene af de to bliver opdaget - hvilket ødelægger det - for at "varsler" eksistensen af ​​den anden, enkelt-fotonudgangen fra fotonkilden.

Men at få den kvantekonvertering fra en til to fotoner til at ske, er imod alle odds.

"SPDC er en kvanteproces, og det er usikkert, om kilden intet vil producere, eller et par, eller to par, "Kwiat bemærker." Sandsynligheden for at producere præcis et par enkeltfotoner er højst 25 procent. "

Fysikprofessor Fumihiro Kaneda fra Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences ved Tohoku University. Kaneda er tidligere postdoktor i Kwiat -gruppen ved Institut for Fysik, University of Illinois i Urbana-Champaign.

Kwiat og Kaneda løste dette problem med lav effektivitet i SPDC ved hjælp af en teknik kaldet tidsmultiplexering. For hvert løb, SPDC -kilden pulseres 40 gange i lige store intervaller, producerer 40 "tidsspande, "hver muligvis indeholder et par fotoner (selvom det sjældent ville være tilfældet). Hver gang et fotonpar produceres, en foton af parret udløser en optisk switch, som leder søsterfotonet til midlertidig opbevaring i en optisk forsinkelseslinje - en lukket sløjfe skabt med spejle. Ved at vide, hvornår foton kom ind i sløjfen (hvornår triggerfonen blev detekteret), forskerne ved præcis, hvor mange cyklusser der skal holdes fotonet, før de skifter det ud. På denne måde, uanset hvilken af ​​de 40 impulser, der producerede parret, den lagrede foton kan altid frigives på samme tid. Når alle 40 impulser er sket, eventuelle lagrede fotoner frigives sammen, som om de kom fra samme tidsspand.

Kwiat kommentarer, "Kortlægning af en masse forskellige muligheder, alle de forskellige tidsspande, til én - det forbedrer sandsynligheden for, at du er i stand til at se noget. "

At pulse kilden 40 gange garanterer i det væsentlige, at der produceres mindst ét ​​fotonpar for hvert løb.

Hvad mere er, forsinkelseslinjen, som fotonerne er lagret i, har en tabsprocent på kun 1,2 procent pr. cyklus; fordi kilden pulses så mange gange, at have en lav tabsprocent er afgørende. Ellers, fotoner produceret i de første få pulser kan let gå tabt.

Når fotonerne endelig frigives, de er koblet til en single-mode optisk fiber med en høj effektivitet. Dette er den tilstand, hvor fotonerne skal være i for at være nyttige i kvanteinformationsapplikationer.

Kwiat påpeger, effektivitetsforøgelsen ved at generere fotoner på denne måde er betydelig. Hvis, for eksempel, en applikation, der efterlyser en 12-foton kilde, man kunne stille op til seks uafhængige SPDC -kilder og vente på en begivenhed, når hver af dem samtidig producerede et enkelt par.

"Verdens bedste konkurrerende eksperiment i øjeblikket ved hjælp af disse flere fotonstater måtte vente cirka to minutter, indtil de fik en enkelt sådan begivenhed, "Kwiat noter." De pulserer med 80 millioner gange i sekundet-de prøver meget, meget ofte - men det er kun cirka en gang hvert andet minut, at de får denne begivenhed, hvor hver kilde producerer præcis et fotonpar.

"Vi kan beregne ud fra vores sats sandsynligheden for, at vi ville være i stand til at producere sådan noget. Vi kører faktisk en del langsommere, så vi prøver kun hvert 2. mikrosekund - de prøver det 160 gange så ofte - men fordi vores effektivitet er så meget højere ved hjælp af multiplexing, vi ville faktisk kunne producere noget som 4, 000 12-fotonhændelser pr. Sekund. "

Med andre ord, Kwiat og Kanedas produktionshastighed er omkring 500, 000 gange hurtigere.

Imidlertid, som Kwiat bemærker, et par problemer mangler at blive løst. Et problem stammer fra den tilfældige karakter af nedkonverteringsprocessen:der er en chance for, at i stedet for et enkelt fotonpar, flere fotonpar kunne produceres. Desuden, fordi nedkonverteringsprocessen, der blev brugt i dette eksperiment, var relativt ineffektiv, kilden blev "drevet" i en højere hastighed, øge sandsynligheden for, at sådanne uønskede flere par ville blive genereret.

Selv regnskab for potentielle multi-fotonhændelser, effektiviteten af ​​dette eksperiment var en verdensrekord.

Så hvad er det næste, og hvordan vil Kwiat -teamet håndtere disse sjældne uønskede multiphoton -begivenheder?

Colin Lualdi, en nuværende kandidatstuderende, der arbejder i Kwiat's forskningsgruppe, arbejder på at opgradere kilden med foton-nummeropløsende detektorer, der ville kassere multiphotonhændelser, før forsinkelseslinjen udløses for at gemme dem. Denne forbedring ville helt fjerne problemet med multiphoton -begivenheder.

Et andet område af igangværende forskning for Kwiat's team vil forbedre effektiviteten af ​​individuelle dele af single-foton-kilde-apparatet. Lualdi mener, at fremtidige forbedringer vil presse produktionen af ​​enkeltfoton langt ud over det nuværende eksperiment.

"Det endelige mål er at være i stand til at forberede enkelte rene kvantetilstande, som vi kan bruge til at kode og behandle information på måder, der overgår klassiske tilgange, "Lualdi forklarer." Derfor er det så vigtigt, at disse kilder producerer enkeltfotoner. Hvis kilden uventet genererer to fotoner i stedet for en, så har vi ikke den grundlæggende byggesten, som vi har brug for. "

Og for at kunne udføre enhver form for meningsfuld kvanteinformationsbehandling med disse fotoniske qubits, der er brug for et stort udbud.

Som Kwiat udtrykker det, "Feltet bevæger sig ud over eksperimenter med kun en eller to fotoner. Folk forsøger nu at lave forsøg på 10 til 12 fotoner, og til sidst vil vi gerne have 50 til 100 fotoner. "

Kwiat ekstrapolerer, at de forbedringer, der foretages på dette arbejde, kunne bane vejen mod kapaciteten til at generere over 30 fotoner med høj effektivitet. Kwiat og Kanedas resultater har flyttet os et skridt tættere på at gøre optisk kvanteinformationsbehandling til virkelighed.