Forskere genererer kvantelys af høj kvalitet med modulær bølgelederenhed

For første gang har forskere med succes genereret stærkt ikke-klassisk lys ved hjælp af en modulær bølgelederbaseret lyskilde. Præstationen repræsenterer et afgørende skridt hen imod at skabe hurtigere og mere praktiske optiske kvantecomputere.

"Vores mål er dramatisk at forbedre informationsbehandlingen ved at udvikle hurtigere kvantecomputere, der kan udføre enhver form for beregning uden fejl," sagde forskerteammedlem Kan Takase fra University of Tokyo. "Selvom der er flere måder at skabe en kvantecomputer på, er lysbaserede tilgange lovende, fordi informationsprocessoren kan fungere ved stuetemperatur, og computerskalaen kan nemt udvides."

I Optica Publishing Group-tidsskriftet Optics Express , beskriver et multi-institutionelt team af forskere fra Japan det bølgeleder optiske parametriske forstærker (OPA) modul, de skabte til kvanteeksperimenter. Kombinationen af ​​denne enhed med en specialdesignet fotondetektor gjorde det muligt for dem at generere en lystilstand kendt som Schrödinger kat, som er en superposition af sammenhængende tilstande.

"Vores metode til at generere kvantelys kan bruges til at øge kvantecomputeres regnekraft og til at gøre informationsprocessoren mere kompakt," sagde Takase. "Vores tilgang overgår konventionelle metoder, og den modulære bølgeleder OPA er nem at betjene og integrere i kvantecomputere."

Generer stærkt ikke-klassisk lys

Kontinuerligt bølgepresset lys bruges til at generere de forskellige kvantetilstande, der er nødvendige for at udføre kvanteberegning. For den bedste computerydeevne skal den pressede lyskilde udvise meget lave niveauer af lystab og være bredbånd, hvilket betyder, at den omfatter en bred vifte af frekvenser.

"Vi ønsker at øge clock-frekvensen af ​​optiske kvantecomputere, som i princippet kan opnå terahertz-frekvenser," sagde Takase. "Højere klokfrekvenser muliggør hurtigere udførelse af beregningsopgaver og gør det muligt at forkorte forsinkelseslinjerne i de optiske kredsløb. Dette gør optiske kvantecomputere mere kompakte og gør det også nemmere at udvikle og stabilisere det overordnede system."

OPA'er bruger ikke-lineære optiske krystaller til at generere sammenpresset lys, men konventionelle OPA'er genererer ikke kvantelyset med de egenskaber, der er nødvendige for hurtigere kvanteberegning. For at overvinde denne udfordring udviklede forskere fra University of Tokyo og NTT Corporation en OPA baseret på en bølgeleder-type enhed, der opnår høj effektivitet ved at begrænse lys til en smal krystal.

Ved omhyggeligt at designe bølgelederen og fremstille den med præcisionsbehandling var de i stand til at skabe en OPA-enhed med meget mindre udbredelsestab end konventionelle enheder. Det kan også modulariseres til brug i forskellige eksperimenter med kvanteteknologier.

Design af den rigtige detektor

OPA-enheden er designet til at skabe klemt lys ved telekommunikationsbølgelængder, et bølgelængdeområde, der har tendens til at udvise lave tab. For at færdiggøre systemet havde forskerne brug for en højtydende fotondetektor, der fungerede ved telekommunikationsbølgelængder. Standardfotondetektorer baseret på halvledere opfylder dog ikke ydeevnekravene til denne applikation.

Således udviklede forskere fra University of Tokyo og National Institute of Information and Communications Technology (NICT) en detektor designet specielt til kvanteoptik. Den nye superledende nanostrip fotondetektor (SNPD) bruger superledningsteknologi til at detektere fotoner.

"Vi kombinerede vores nye bølgeleder OPA med denne fotondetektor for at generere en meget ikke-klassisk - eller kvante - lystilstand kaldet Schrödinger kat," sagde Takase. "At generere denne tilstand, som er vanskelig med konventionelle, laveffektive bølgeleder-OPA'er, bekræfter den høje ydeevne af vores bølgeleder-OPA og åbner muligheden for at bruge denne enhed til en bred vifte af kvanteeksperimenter."

Forskerne ser nu på, hvordan man kan kombinere højhastighedsmålingsteknikker med den nye bølgeleder OPA for at komme tættere på deres mål om ultrahurtig optisk kvanteberegning. + Udforsk yderligere

Skræddersyede enkeltfotoner:Optisk kontrol af fotoner som nøglen til nye teknologier