Een EU-project dat werkt met ultrasnelle optica, bevordert de controle over de ruimtelijk-temporele kwantumtoestanden van licht, de vooruitgang van de kwantuminformatiewetenschap.

Quantum Information Science (QIS) biedt veel hoop op verbeterde metrologie en verschillende informatie-, Communicatie en Technologie (ITC) systemen. Echter, de mate van controle over kwantumtoestanden die nodig is om de benadering superieur te maken aan conventionele technieken, maakt de realisatie van het potentieel van de technologie bijzonder uitdagend. Zogenaamde 'squeezed states in continu-variabele systemen' zijn geponeerd als een benadering die succes zou kunnen opleveren voor een betere controle van kwantumtoestanden, deels omdat men denkt dat deze systemen schaalbaar zijn.

Het door de EU gefinancierde QCUMBER-project (Quantum Controlled Ultrafast Multimode Entanglement and Measurement), onderzocht het gebruik van dergelijke uitgeknepen staten, of multifoton toestanden, in verschillende temporele modi op basis van geïntegreerde optische apparaten. In een recent gepubliceerd artikel in het tijdschrift 'Philosophical Transactions A' van de Royal Society, de onderzoekers bepalen de huidige limieten van het samenknijpen van golfgeleiders en de verlieslimieten in het conversieproces.

Verstrikte toestanden verstrikken

De auteurs van het artikel wijzen erop dat in de afgelopen decennia, aanzienlijke vooruitgang is geboekt op het gebied van golfgeleiders met laag verlies, zeer efficiënte fotongetaldetectoren en niet-lineaire processen. Aanvullend, dankzij het succes van het niet-lineaire optische proces dat bekend staat als 'engineered sum frequency conversion', operatie op willekeurige temporele breedbandmodi is nu haalbaar. Dit opent de spectrale vrijheidsgraad voor informatiecodering, vaak in de temporele modi van een enkel foton.

QCUMBER onderzocht het vooruitzicht van het combineren, in een golfgeleidersysteem, zowel knijpen als modus-selectieve frequentieomzetting. Door een analogie te creëren tussen de Quantum Pulse Gates (QPG's - basale kwantumcircuits) en ruimtelijke netwerken, ze maakten een visualisatie mogelijk van het proces voor het verstrengelen van samengedrukte toestanden of het construeren van complexe multimode continu-variabele toestanden.

Kijkend naar het knijpen dat haalbaar is in een KTP single-pass, single-mode golfgeleider, het team ontdekte dat knijpen mogelijk was tot 20 decibel, maar het gecompliceerde gedrag van het proces, leidde tot aanzienlijke degradatie, beperking van het omzettingsrendement tot minder dan 90%. Echter, zij wijzen erop dat dit nog veelbelovend is voor de toekomst van de technologie. Ze gaan verder met te beweren dat voor toepassingen waar een lage conversie-efficiëntie voldoende is, dit is geen probleem en phase-matching kan worden ontworpen met behulp van een eenvoudig model zonder dat er pompkracht nodig is.

In het spectrale domein, het team bereikte ook de verstrikking in een continu-golffrequentiekamstructuur van maximaal 60 tijdelijke modi en ongeveer 10 modi in een gepulseerde, ultrasnel systeem. Ze melden dat zodra het knijpen bepaalde drempels kan bereiken, foutcorrectie voor quantum computing wordt mogelijk, die de wetenschap vooruit zal stuwen.

Tikken op extreme tijdschalen en brede spectra

Ultrasnelle lichtpulsen bieden mogelijkheden om de onderliggende systeemdynamiek beter te begrijpen op tijdschalen van zeer korte duur. Het benutten van de kwantumattributen van licht heeft de fundamentele natuurkundige kennis die door experimenten is vergaard, verbeterd en is de sleutel geweest tot vooruitgang in kwantumcommunicatie en kwantummetrologie. Inderdaad, metrologie met hoge precisie is mogelijk gemaakt door gebruik te maken van de brede frequentiekamstructuur die treinen van ultrasnelle lichtpulsen creëren.

QCUMBER is opgericht om de mogelijkheden die zouden kunnen bestaan ​​binnen de relatie tussen de kwantumeigenschappen van licht op extreme tijdschalen en over extreem brede spectra verder te onderzoeken. Het benutten van de structuur van ultrasnelle kwantumpulsen zal steeds nauwkeurigere tijd-frequentiemetingen mogelijk maken en innovatie introduceren voor schaalbare kwantuminformatieverwerking.