Nu toonaangevende bedrijven investeren in zeer dure en complexe infrastructuren om de kracht van kwantumtechnologieën te ontketenen, INRS-onderzoekers hebben een doorbraak bereikt in een lichtgewicht fotonisch systeem dat is gemaakt met behulp van on-chip-apparaten en kant-en-klare telecommunicatiecomponenten. In hun paper gepubliceerd in Natuur , het team laat zien dat fotonen een toegankelijke en krachtige kwantumbron kunnen worden wanneer ze worden gegenereerd in de vorm van kleurverstrengelde quDits.

Het systeem maakt gebruik van een kleine en kosteneffectieve fotonische chip die is gefabriceerd via processen die vergelijkbaar zijn met die voor geïntegreerde elektronica. Met een microringresonator op de chip die wordt opgewekt door een laser, fotonen worden uitgezonden in paren die een complexe kwantumtoestand delen. De fotonen zijn geconstrueerd in een toestand met een aantal over elkaar heen geplaatste frequentiecomponenten:De fotonen hebben meerdere kleuren tegelijk, en de kleuren van elk foton in een paar zijn gekoppeld (verstrengeld), ongeacht hun scheidingsafstand.

Met elke frequentie - of kleur - die een dimensie vertegenwoordigt, de fotonen worden op de chip gegenereerd als een hoogdimensionale kwantumtoestand (quDit). Zo ver, kwantuminformatiewetenschap heeft zich grotendeels gericht op de exploitatie van qubits, gebaseerd op tweedimensionale systemen waarbij twee toestanden over elkaar heen liggen (bijvoorbeeld 0 EN 1 tegelijk, in tegenstelling tot klassieke bits, die op elk moment 0 OF 1 zijn). Werken in het frequentiedomein maakt de superpositie van veel meer toestanden mogelijk (bijvoorbeeld een hoogdimensionaal foton kan rood EN geel EN groen EN blauw zijn, hoewel de hier gebruikte fotonen infrarood waren voor telecommunicatiecompatibiliteit), het vergroten van de hoeveelheid informatie in een enkel foton.

Daten, Professor Roberto Morandotti, die het INRS-onderzoeksteam leidt, bevestigt de realisatie van een kwantumsysteem met ten minste honderd dimensies met behulp van deze benadering, en de ontwikkelde technologie is gemakkelijk uitbreidbaar om systemen met twee quDit te creëren met meer dan 9, 000 dimensies (overeenkomend met 12 qubits en meer, vergelijkbaar met de stand van de techniek in aanzienlijk duurdere/complexe platforms).

Het gebruik van het frequentiedomein voor dergelijke kwantumtoestanden maakt hun gemakkelijke transmissie en manipulatie in optische vezelsystemen mogelijk. "Door de gebieden van kwantumoptica en ultrasnelle optische verwerking samen te voegen, we hebben aangetoond dat hoogdimensionale manipulatie van deze toestanden inderdaad mogelijk is met behulp van standaard telecommunicatie-elementen zoals modulatoren en frequentiefilters, " benadrukt professor José Azaña, expert op het gebied van telecommunicatiesystemen, co-promotor van het uitgevoerde onderzoek.

Tot nu, vooruitgang in gevestigde technologieën voor de telecommunicatiesector waren gericht op de manipulatie van klassieke signalen. Dit onderzoek is een game-changer:de vooruitgang kan onmiddellijk worden overgedragen aan de kwantumwetenschap en zal direct fundamenteel onderzoek van hoogdimensionale kwantumtoestandskenmerken mogelijk maken, toepassingen in op groot-alfabet gebaseerde kwantumcommunicatie, en de toekomstige ontwikkeling van het frequentiedomein, hoogdimensionale kwantumlogica-poorten en andere toepassingen.

Toonaangevende auteurs Michael Kues en Christian Reimer merken op dat een hoogtepunt van het gedemonstreerde platform de toegankelijkheid is:het is gemakkelijk te bouwen en maakt gebruik van componenten die worden gebruikt in standaard telecommunicatiesystemen die overal in de handel verkrijgbaar zijn. Dus, op korte termijn, onderzoekers over de hele wereld zullen deze technologie kunnen integreren en naar voren kunnen brengen, een sprong maken in de ontwikkeling van praktische kwantumtoepassingen.