Forskere opnår kvantelagring af sammenfiltrede fotoner ved telekommunikationsbølgelængder i en krystal

Kvanteteknologier modnes i øjeblikket i et betagende tempo. Disse teknologier udnytter principperne for kvantemekanik i passende konstruerede systemer med lyse udsigter, såsom at øge beregningseffektivitet eller kommunikationssikkerhed langt ud over, hvad der er muligt med enheder baseret på nutidens "klassiske" teknologier.

Som med klassiske enheder skal kvanteenheder dog forbindes i netværk for at realisere deres fulde potentiale. I princippet kan dette gøres ved hjælp af de fiberoptiske netværk, der anvendes til klassisk telekommunikation. Men praktisk implementering kræver, at informationen kodet i kvantesystemer pålideligt kan lagres ved de frekvenser, der bruges i telekommunikationsnetværk - en evne, der endnu ikke er fuldt demonstreret.

Skrivning i Nature Communications , gruppen af ​​professor Xiao-Song Ma ved Nanjing Universitet rapporterer rekordlang kvantelagring ved telekommunikationsbølgelængder på en platform, der kan implementeres i udvidede netværk, hvilket baner vejen for praktiske kvantenetværk i stor skala.

Internettets fysiske struktur er vævet af optiske fibre. Glasfibrene, der udgør disse enorme netværk, er berømt rene. Et almindeligt eksempel er, at man kunne se klart gennem et kilometer tykt vindue lavet af sådant glas. Ikke desto mindre er nogle tab uundgåelige, og de optiske signaler, der rejser gennem telekommunikationsnetværk, skal "opfriskes" med jævne mellemrum, når afstandene overstiger et par hundrede kilometer.

For klassiske signaler findes der veletablerede og rutinemæssigt anvendte teknikker baseret på gentagen signalforstærkning. Til kvantetilstande af lys er disse rutinemæssigt anvendte tilgange desværre ikke egnede.

Hvorfor er 'kvantelys' anderledes? En nøgleingrediens, der gør kvanteteknologier så kraftige, er kvantesammenfiltring, en tilstand, hvor to eller flere lyskvanter (eller fotoner) deler stærkere korrelationer mellem sig, end det er muligt for klassisk lys. Ved konventionel optisk signalregenerering konverteres det optiske signal til et elektrisk signal, som forstærkes, før det konverteres tilbage til lysimpulser.

Imidlertid ville sammenfiltrede fotoner miste deres altafgørende kvantekorrelationer i en sådan proces. Det samme problem opstår med andre konventionelle metoder.

En løsning er at bruge såkaldte kvanterepeatere. I en nøddeskal gemmer kvanterepeatere den skrøbelige sammenfiltrede tilstand og transformerer den til en anden kvantetilstand, der deler sammenfiltring med den næste knude nede på linjen. Med andre ord, i stedet for at forstærke signalet, er knudepunkterne 'syet sammen' og udnytter deres unikke kvanteegenskaber. I hjertet af sådanne kvante-repeater-netværk er kvantehukommelser, hvori kvantetilstande af lys kan lagres.

At realisere disse minder med en tilstrækkelig lang lagringstid er en enestående udfordring, især for fotoner ved telekommunikationsbølgelængder (det vil sige omkring 1,5 µm).

Derfor er spændingen, da Ming-Hao Jiang, Wenyi Xue og kolleger i gruppen af ​​Xiao-Song Ma nu rapporterer lagring og genfinding af den sammenfiltrede tilstand af to telekommunikationsfotoner med en lagringstid på tæt på to mikrosekunder. Dette er næsten 400 gange længere end det, der tidligere var blevet demonstreret på dette felt, og er derfor et afgørende skridt hen imod praktiske anordninger.

Minderne udviklet af Jiang, Xue et al. er baseret på yttriumorthosilicat (Y₂ SiO₅ ) krystaller doteret med ioner af sjældne jordarters grundstof erbium. Disse ioner har optiske egenskaber, der er næsten perfekte til brug i eksisterende fibernetværk, der matcher bølgelængden på omkring 1,5 μm.

Erbiumioners egnethed til kvantelagring har været kendt i nogle år, og det faktum, at de er indlejret i en krystal, gør dem særligt attraktive med henblik på anvendelse i stor skala. Imidlertid har praktiske implementeringer af erbium-ion-baserede kvantehukommelser vist sig relativt ineffektive indtil videre, hvilket hindrer yderligere fremskridt hen imod kvanterepeatere.

Ma's gruppe har nu gjort betydelige fremskridt med at perfektionere teknikkerne og har vist, at selv efter lagring af fotonen i 1936 nanosekunder, er sammenfiltringen af ​​fotonparret bevaret. Dette betyder, at kvantetilstanden kan manipuleres i løbet af denne tid, som det kræves i en kvanterepeater. Derudover kombinerede forskerne deres kvantehukommelse med en ny kilde til sammenfiltrede fotoner på en integreret chip.

Denne demonstrerede evne til både at generere højkvalitets sammenfiltrede fotoner ved telekommunikationsfrekvenser og gemme den sammenfiltrede tilstand, alt sammen på en solid-state platform egnet til lavpris masseproduktion, er spændende, da det etablerer en lovende byggesten, der kan kombineres med eksisterende storskala fibernetværk — og derved muliggøre et fremtidigt kvanteinternet.

Flere oplysninger: Ming-Hao Jiang et al., Kvantelagring af sammenfiltrede fotoner ved telekommunikationsbølgelængder i en krystal, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42741-1

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Nanjing University School of Physics