Fysikere sammenfiltrer mere end et dusin fotoner effektivt

Fysikere ved Max Planck Institute of Quantum Optics har formået at sammenfiltre mere end et dusin fotoner effektivt og på en defineret måde. De skaber dermed grundlag for en ny type kvantecomputer. Deres undersøgelse er offentliggjort i Nature .

Kvanteverdenens fænomener, som ofte virker bizarre set fra den almindelige hverdagsverden, har for længst fundet vej til teknologien. For eksempel sammenfiltring:en kvantefysisk forbindelse mellem partikler, der forbinder dem på en mærkelig måde over vilkårligt lange afstande. Den kan for eksempel bruges i en kvantecomputer - en computermaskine, der i modsætning til en konventionel computer kan udføre adskillige matematiske operationer samtidigt. Men for at bruge en kvantecomputer rentabelt, skal et stort antal sammenfiltrede partikler arbejde sammen. De er de grundlæggende elementer for beregninger, såkaldte qubits.

"Fotoner, lyspartiklerne, er særligt velegnede til dette, fordi de er robuste af natur og lette at manipulere," siger Philip Thomas, en ph.d.-studerende ved Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) i Garching nær München. Sammen med kolleger fra Quantum Dynamics Division ledet af prof. Gerhard Rempe er det nu lykkedes ham at tage et vigtigt skridt i retning af at gøre fotoner anvendelige til teknologiske applikationer såsom kvanteberegning:For første gang genererede teamet op til 14 sammenfiltrede fotoner i en defineret måde og med høj effektivitet.

Et atom som en fotonkilde

"Tricket til dette eksperiment var, at vi brugte et enkelt atom til at udsende fotonerne og flette dem sammen på en meget specifik måde," siger Thomas. For at gøre dette placerede Max Planck-forskerne et rubidium-atom i midten af ​​et optisk hulrum - en slags ekkokammer til elektromagnetiske bølger. Med laserlys af en bestemt frekvens kunne atomets tilstand adresseres præcist. Ved hjælp af en ekstra kontrolimpuls udløste forskerne også specifikt emissionen af ​​en foton, der er viklet ind i atomets kvantetilstand.

"Vi gentog denne proces flere gange og på en tidligere bestemt måde," fortæller Thomas. Ind imellem blev atomet manipuleret på en bestemt måde - i teknisk jargon:roteret. På denne måde var det muligt at skabe en kæde af op til 14 lette partikler, der blev viklet ind i hinanden af ​​atomrotationerne og bragt i en ønsket tilstand. "Så vidt vi ved, er de 14 indbyrdes forbundne lyspartikler det største antal sammenfiltrede fotoner, der hidtil er blevet genereret i laboratoriet," siger Thomas.

Deterministisk genereringsproces

Men det er ikke kun mængden af ​​sammenfiltrede fotoner, der markerer et stort skridt mod udviklingen af ​​kraftfulde kvantecomputere - måden, de genereres på, er også meget forskellig fra konventionelle metoder. "Fordi kæden af ​​fotoner opstod fra et enkelt atom, kunne den produceres på en deterministisk måde," forklarer Thomas. Det betyder:i princippet leverer hver kontrolimpuls faktisk en foton med de ønskede egenskaber. Indtil nu foregik sammenfiltringen af ​​fotoner normalt i specielle, ikke-lineære krystaller. Manglen:der er lyspartiklerne i det væsentlige skabt tilfældigt og på en måde, der ikke kan kontrolleres. Dette begrænser også antallet af partikler, der kan bundtes til en kollektiv tilstand.

Metoden, der bruges af Garching-teamet, tillader på den anden side stort set et hvilket som helst antal sammenfiltrede fotoner, der kan genereres. Derudover er metoden særligt effektiv – en anden vigtig målestok for mulige fremtidige tekniske anvendelser:"Ved at måle den producerede fotonkæde kunne vi bevise en effektivitet på næsten 50 %," siger Philip Thomas. Det betyder, at næsten hvert andet "tryk på en knap" på rubidiumatomet leverede en brugbar lyspartikel - langt mere end der er opnået i tidligere eksperimenter. "Alt i alt fjerner vores arbejde en langvarig forhindring på vejen til skalerbar, målebaseret kvanteberegning," siger afdelingsdirektør Gerhard Rempe.

Mere plads til kvantekommunikation

Forskerne ved MPQ ønsker at fjerne endnu en forhindring. Komplekse beregningsoperationer ville for eksempel kræve mindst to atomer som fotonkilder i resonatoren. Kvantefysikerne taler om en todimensionel klyngetilstand. "Vi arbejder allerede på at løse denne opgave," siger Philip Thomas.

Max Planck-forskeren understreger også, at mulige tekniske applikationer rækker langt ud over kvanteberegning:"Et andet applikationseksempel er kvantekommunikation" - den tapsikre transmission af information, for eksempel ved lys i en optisk fiber. Der oplever lyset uundgåelige tab under dets udbredelse på grund af optiske effekter såsom spredning og absorption - hvilket begrænser den afstand, som data kan transporteres over. Ved at bruge metoden udviklet i Garching kunne kvanteinformation pakkes i sammenfiltrede fotoner og kunne også overleve en vis mængde lystab – og muliggøre sikker kommunikation over større afstande. + Udforsk yderligere

Forskere opnår rekordsammenfiltring af kvantehukommelser