MIT-onderzoekers hebben een manier ontworpen om te genereren, op kamertemperatuur, meer enkele fotonen voor het dragen van kwantuminformatie. Het ontwerp, ze zeggen, veelbelovend voor de ontwikkeling van praktische kwantumcomputers.

Kwantumstralers genereren fotonen die één voor één kunnen worden gedetecteerd. Consumentenkwantumcomputers en -apparaten kunnen mogelijk gebruikmaken van bepaalde eigenschappen van die fotonen als kwantumbits ("qubits") om berekeningen uit te voeren. Terwijl klassieke computers informatie verwerken en opslaan in bits van nullen of enen, qubits kunnen tegelijkertijd 0 en 1 zijn. Dat betekent dat kwantumcomputers mogelijk problemen kunnen oplossen die onhandelbaar zijn voor klassieke computers.

Een belangrijke uitdaging, echter, produceert enkele fotonen met identieke kwantumeigenschappen - bekend als "niet te onderscheiden" fotonen. Om de herkenbaarheid te verbeteren, emitters leiden licht door een optische holte waar de fotonen heen en weer kaatsen, een proces dat helpt bij het afstemmen van hun eigenschappen op de holte. Over het algemeen, hoe langer fotonen in de holte blijven, hoe meer ze overeenkomen.

Maar er is ook een afweging. In grote holtes, kwantumstralers genereren spontaan fotonen, waardoor slechts een klein deel van de fotonen in de holte blijft, waardoor het proces inefficiënt wordt. Kleinere holtes extraheren hogere percentages fotonen, maar de fotonen zijn van mindere kwaliteit, of "te onderscheiden".

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , de onderzoekers splitsten een holte in twee, elk met een bepaalde taak. Een kleinere holte zorgt voor de efficiënte extractie van fotonen, terwijl een aangehechte grote holte ze iets langer opslaat om ze niet te onderscheiden te maken.

Vergeleken met een enkele holte, de gekoppelde holte van de onderzoekers genereerde fotonen met ongeveer 95 procent niet te onderscheiden, vergeleken met 80 procent ononderscheidbaarheid, met ongeveer drie keer hogere efficiëntie.

"Kortom, twee is beter dan een, " zegt eerste auteur Hyeongrak "Chuck" Choi, een afgestudeerde student in het MIT Research Laboratory of Electronics (RLE). "Wat we vonden is dat in deze architectuur, we kunnen de rollen van de twee holtes scheiden:de eerste holte richt zich alleen op het verzamelen van fotonen voor een hoge efficiëntie, terwijl de tweede zich richt op ononderscheidbaarheid in een enkel kanaal. Eén holte die beide rollen speelt, kan niet aan beide statistieken voldoen, maar twee holtes bereiken beide tegelijkertijd."

Bij Choi op het papier staan:Dirk Englund, een universitair hoofddocent elektrotechniek en informatica, een onderzoeker in RLE, en hoofd van het Quantum Photonics Laboratory; Di Zhu, een afgestudeerde student in RLE; en Yoseob Yoon, een afgestudeerde student in de afdeling scheikunde.

De relatief nieuwe kwantumstralers, bekend als "single-photon emitters, " zijn ontstaan ​​door gebreken in anderszins zuivere materialen, zoals diamanten, gedoteerde koolstofnanobuizen, of kwantumstippen. Licht dat door deze "kunstmatige atomen" wordt geproduceerd, wordt opgevangen door een kleine optische holte in fotonisch kristal - een nanostructuur die als een spiegel fungeert. Sommige fotonen ontsnappen, maar anderen stuiteren rond de holte, die de fotonen dwingt om dezelfde kwantumeigenschappen te hebben - voornamelijk, verschillende frequentie-eigenschappen. Wanneer ze worden gemeten om overeen te komen, ze verlaten de holte via een golfgeleider.

Maar single-photon emitters ervaren ook tonnen omgevingsgeluid, zoals roostertrillingen of fluctuaties in elektrische lading, die een verschillende golflengte of fase produceren. Fotonen met verschillende eigenschappen kunnen niet worden "geinterfereerd, " zodat hun golven elkaar overlappen, resulterend in interferentiepatronen. Dat interferentiepatroon is eigenlijk wat een kwantumcomputer waarneemt en meet om rekentaken uit te voeren.

De ononderscheidbaarheid van fotonen is een maat voor het interferentiepotentieel van fotonen. Op die manier, het is een waardevolle statistiek om hun gebruik voor praktische kwantumcomputers te simuleren. "Zelfs vóór fotoninterferentie, met onopvallendheid, we kunnen het vermogen van de fotonen om te interfereren specificeren, " zegt Choi. "Als we dat vermogen kennen, we kunnen berekenen wat er gaat gebeuren als ze het gebruiken voor kwantumtechnologieën, zoals kwantumcomputers, communicatie, of repeaters."

In het systeem van de onderzoekers een kleine holte zit vast aan een zender, wat in hun studies een optisch defect was in een diamant, een "silicium-vacature center" genoemd - een siliciumatoom dat twee koolstofatomen in een diamantrooster vervangt. Het door het defect geproduceerde licht wordt opgevangen in de eerste holte. Door zijn licht-focusserende structuur, fotonen worden met zeer hoge snelheden geëxtraheerd. Vervolgens, de nanoholte kanaliseert de fotonen in een tweede, grotere holte. Daar, de fotonen kaatsen een bepaalde tijd heen en weer. Wanneer ze een hoge ononderscheidbaarheid bereiken, de fotonen gaan naar buiten via een gedeeltelijke spiegel gevormd door gaten die de holte verbinden met een golfgeleider.

belangrijk, Choi zegt, geen van beide holtes hoeft te voldoen aan strenge ontwerpvereisten voor efficiëntie of niet te onderscheiden als traditionele holtes, de "kwaliteitsfactor (Q-factor)" genoemd. Hoe hoger de Q-factor, hoe lager het energieverlies in optische holtes. Maar holtes met hoge Q-factoren zijn technologisch uitdagend om te maken.

In de studie, de gekoppelde holte van de onderzoekers produceerde fotonen van hogere kwaliteit dan elk mogelijk systeem met één holte. Zelfs toen de Q-factor ongeveer een honderdste was van de kwaliteit van het systeem met één holte, ze zouden dezelfde ononderscheidbaarheid kunnen bereiken met een driemaal hogere efficiëntie.

De holtes kunnen worden afgestemd om te optimaliseren voor efficiëntie versus niet-onderscheidbaarheid - en om eventuele beperkingen op de Q-factor in overweging te nemen - afhankelijk van de toepassing. Dat is belangrijk, Choi voegt eraan toe, omdat de huidige stralers die bij kamertemperatuur werken sterk kunnen variëren in kwaliteit en eigenschappen.

Volgende, de onderzoekers testen de ultieme theoretische limiet van meerdere holtes. Nog een holte zou de eerste extractie nog steeds efficiënt afhandelen, maar zou dan worden gekoppeld aan meerdere holtes die fotonen voor verschillende groottes gebruiken om een ​​optimale ononderscheidbaarheid te bereiken. Maar er zal hoogstwaarschijnlijk een limiet zijn, Choi zegt:"Met twee holtes, er is maar één verbinding, dus het kan efficiënt zijn. Maar als er meerdere gaatjes zijn, de meerdere verbindingen kunnen het inefficiënt maken. We bestuderen nu de fundamentele limiet voor holtes voor gebruik in kwantumcomputers."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.