Natuurkundigen van de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau hebben een holografisch atomair geheugenapparaat ontwikkeld dat in staat is om op verzoek enkele fotonen te genereren in groepen van enkele tientallen of meer. Het apparaat, met succes aangetoond in de praktijk, overwint een van de fundamentele obstakels voor de bouw van een kwantumcomputer.

Volledig veilig, snelle kwantumcommunicatie en kwantumcomputing behoren tot de mogelijke toepassingen voor deze nieuwe bron van enkelvoudige fotonen. Het is het eerste apparaat dat de on-demand productie van een nauwkeurig gecontroleerde groep fotonen mogelijk maakt, in tegenstelling tot slechts een enkele.

"Vergeleken met bestaande oplossingen en ideeën, ons apparaat is veel efficiënter en maakt integratie op grotere schaal mogelijk. In functionele zin is men kan het zelfs zien als een eerste equivalent van een kleine geïntegreerde schakeling die werkt op enkele fotonen, " legt Dr. Wojciech Wasilewski (UW Natuurkunde) uit, een van de auteurs van een artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

De eerste single-photon bronnen werden uitgevonden in de jaren 70, en hoewel de vele soorten die tegenwoordig bestaan ​​nog steeds veel nadelen hebben, enkele fotonen worden met succes gebruikt in kwantumcommunicatieprotocollen die volledige vertrouwelijkheid garanderen. Echter, om complexe kwantumberekeningen te kunnen uitvoeren zijn groepen fotonen nodig.

De eenvoudigste methode om groepen fotonen te genereren, is door een voldoende groot aantal bronnen te gebruiken. Huidige apparaten maken gebruik van het fenomeen van spontane parametrische down-conversie (SPDC). Onder bepaalde omstandigheden, een foton dat door een laser wordt gegenereerd, kan in twee nieuwe worden gesplitst, elk met de helft van de hoeveelheid energie, en met alle andere eigenschappen verbonden door de principes van het besparen van energie en momentum. Dus, wanneer informatie is gecodeerd op een van de fotonen van het paar, de eigenschappen van het andere foton zijn bekend, die niettemin ongestoord blijven door observatie en daarom perfect geschikt zijn voor kwantumoperaties. Helaas, elke SPDC-bron genereert langzaam en vrij willekeurig enkele fotonen.

In 2013, een team van natuurkundigen van de universiteiten van Oxford en Londen stelde een veel efficiënter protocol voor voor het genereren van groepen fotonen. Het idee was om bij elke bron een kwantumgeheugen te plaatsen, die in staat zou zijn om uitgezonden fotonen op te slaan, die dan op hetzelfde moment zou kunnen worden vrijgegeven. Berekeningen toonden aan dat de tijdschaal die nodig is om een ​​groep van 10 fotonen uit te zenden, met maar liefst 10 ordes van grootte zou worden verkort - van jaren tot microseconden.

De bron ontwikkeld door de natuurkundigen van de Universiteit van Warschau vertegenwoordigt de eerste implementatie van dit concept. Hier, alle fotonen worden onmiddellijk in het kwantumgeheugen gecreëerd als gevolg van een laserpuls die slechts microseconden duurt. Externe bronnen van enkele fotonen zijn niet langer nodig, en het benodigde aantal kwantumgeheugens wordt teruggebracht tot slechts één.

"Onze hele experimentele opstelling neemt ongeveer twee vierkante meter van ons optische tafeloppervlak in beslag. Maar de belangrijkste gebeurtenissen vinden plaats in het geheugen zelf, in een glazen cilinder van ongeveer 10 cm lang en met een diameter van 2,5 cm. Iedereen die in de cilinder een geavanceerd ontwerp zou verwachten, zal zeer teleurgesteld zijn:het binnenste van de cel is alleen gevuld met paren rubidium-atomen 87Rb bij 60 tot 80 graden Celsius", zegt Michal Dabrowski, een doctoraat student aan UW Natuurkunde.

Het apparaat is een ruimtelijk multimode geheugen:individuele fotonen kunnen worden geplaatst, opgeslagen, verwerkt en gelezen in verschillende gebieden in de cilinder, fungeren als afzonderlijke geheugenlades. De schrijfoperatie, uitgevoerd met een laserstraal, werkt door het behoud van een hologram in de vorm van atomaire excitaties. Door het systeem met de laser te verlichten, kunnen onderzoekers het hologram reconstrueren en de inhoud van het geheugen lezen.

In de experimenten, de nieuwe bron genereerde een groep van maximaal 60 fotonen. Berekeningen tonen aan dat in realistische omstandigheden, het gebruik van lasers met een hoger vermogen zou dit aantal kunnen verhogen tot enkele duizenden. (De berekeningen die betrokken waren bij de data-analyse van dit experiment waren van zo'n grote complexiteit dat ze de rekenkracht van 53, 000 grid cores van de PL-Grid Infrastructure).

Door lawaai, verliezen en andere parasitaire processen, het kwantumgeheugen van UW Physics kan fotonen van enkele tot tientallen microseconden opslaan. Hoewel deze periode onbeduidend lijkt, er zijn systemen waarmee eenvoudige bewerkingen op fotonen in nanoseconden kunnen worden uitgevoerd. In het nieuwe kwantumgeheugen onderzoekers kunnen, in principe, voer enkele honderden bewerkingen uit op elk foton, wat voldoende is voor kwantumcommunicatie en informatieverwerking.

Het hebben van zo'n werkende bron van grote groepen fotonen is een belangrijke stap in de richting van het bouwen van een soort kwantumcomputer die berekeningen kan uitvoeren in veel minder tijd dan de beste moderne computermachines. Een aantal jaar geleden, er werd aangetoond dat het uitvoeren van eenvoudige lineaire optische bewerkingen op fotonen de snelheid van quantum computing kan verhogen. De complexiteit van deze berekeningen hangt af van het aantal fotonen dat tegelijkertijd wordt verwerkt. Echter, de beperkingen van de bronnen van grote groepen fotonen verhinderden de ontwikkeling van lineaire kwantumcomputers, beperken tot elementaire wiskundige bewerkingen.

Naast kwantumberekeningen, de fotonische geïntegreerde schakeling kan nuttig zijn in kwantumcommunicatie. Momenteel, het gaat om het verzenden van enkele fotonen met behulp van een optische vezel. De nieuwe bron zou het mogelijk maken dat veel fotonen tegelijkertijd de optische vezel binnendringen, en zou daarom de capaciteit van kwantumkanalen vergroten.