In de afgelopen twee decennia, Er zijn enorme vorderingen gemaakt op het gebied van kwantuminformatiewetenschap. Wetenschappers profiteren van de vreemde aard van de kwantummechanica om moeilijke problemen op het gebied van informatica en communicatie op te lossen, evenals bij het detecteren en meten van delicate systemen. Een onderzoeksrichting op dit gebied is optische kwantuminformatieverwerking, die gebruikmaakt van fotonen - kleine lichtdeeltjes met unieke kwantumeigenschappen.

Een belangrijke bron om onderzoek in de kwantuminformatiewetenschap vooruit te helpen, zou een bron zijn die op efficiënte en betrouwbare wijze afzonderlijke fotonen zou kunnen produceren. Echter, omdat kwantumprocessen inherent willekeurig zijn, het creëren van een fotonenbron die op verzoek enkele fotonen produceert, vormt bij elke stap een uitdaging.

Nu hebben natuurkundeprofessor Paul Kwiat van de University of Illinois en zijn voormalige postdoctoraal onderzoeker Fumihiro Kaneda (nu een assistent-professor aan het Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences aan de Tohoku University) gebouwd wat volgens Kwiat 'de meest efficiënte enkel-fotonbron ter wereld' is. En ze zijn het nog steeds aan het verbeteren. Met geplande upgrades, het apparaat zou meer dan 30 fotonen kunnen genereren met ongekende efficiënties. Bronnen van dat kaliber zijn precies wat nodig is voor toepassingen van optische kwantuminformatie.

De huidige bevindingen van de onderzoekers werden online gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang op 4 oktober, 2019.

Kwiat legt uit, "Een foton is de kleinste eenheid van licht:Einsteins introductie van dit concept in 1905 markeerde het begin van de kwantummechanica. het foton is een voorgestelde hulpbron in kwantumberekening en communicatie - zijn unieke eigenschappen maken het een uitstekende kandidaat om als een kwantumbit te dienen, of qubit."

"Fotonen bewegen snel - perfect voor langeafstandstransmissie van kwantumtoestanden - en vertonen kwantumverschijnselen bij de gewone temperatuur van ons dagelijks leven, ", voegt Kaneda toe. "Andere veelbelovende kandidaten voor qubits, zoals ingesloten ionen en supergeleidende stromen, zijn alleen stabiel in geïsoleerde en extreem koude omstandigheden. Dus de ontwikkeling van on-demand single-photon-bronnen is van cruciaal belang voor het realiseren van kwantumnetwerken en kan kleine kwantumprocessors op kamertemperatuur mogelijk maken."

Daten, de maximale generatie-efficiëntie van bruikbare aangekondigde enkele fotonen is vrij laag geweest.

Waarom? Kwantumoptica-onderzoekers gebruiken vaak een niet-lineair optisch effect dat spontane parametrische down-conversie (SPDC) wordt genoemd om fotonparen te produceren. In een ontworpen kristal, binnen een laserpuls die miljarden fotonen bevat, een enkel hoogenergetisch foton kan worden gesplitst in een paar laagenergetische fotonen. Het is van cruciaal belang om een ​​fotonenpaar te produceren:een van de twee wordt gedetecteerd - waardoor het wordt vernietigd - om het bestaan ​​van de andere te 'aankondigen', de single-photon output van de foton bron.

Maar het is tegen alle verwachtingen in om die kwantumconversie van één naar twee fotonen te laten plaatsvinden.

"SPDC is een kwantumproces, en het is onzeker of de bron niets zal produceren, of een paar, of twee paar, "Kwiat merkt op. "De kans om precies één paar enkele fotonen te produceren is maximaal 25 procent."

Natuurkunde professor Fumihiro Kaneda van het Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences aan de Tohoku University. Kaneda is voormalig postdoctoraal onderzoeker in de Kwiat-groep van het departement Natuurkunde, Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign.

Kwiat en Kaneda hebben dit lage-efficiëntieprobleem in SPDC opgelost met behulp van een techniek die tijdmultiplexing wordt genoemd. Voor elke loop de SPDC-bron wordt 40 keer gepulseerd in gelijke intervallen, het produceren van 40 "tijdbakken, " elk mogelijk een paar fotonen bevatten (hoewel dat zelden het geval zou zijn). Elke keer dat een fotonenpaar wordt geproduceerd, een foton van het paar activeert een optische schakelaar, die het zusterfoton naar tijdelijke opslag leidt in een optische vertragingslijn - een gesloten lus gemaakt met spiegels. Door te weten wanneer het foton de lus binnenkwam (wanneer het triggerfoton werd gedetecteerd), de onderzoekers weten precies hoeveel cycli het foton moet vasthouden voordat ze het uitschakelen. Op deze manier, het maakt niet uit welke van de 40 pulsen het paar produceerde, het opgeslagen foton kan altijd tegelijkertijd worden vrijgegeven. Zodra alle 40 pulsen zijn opgetreden, eventuele opgeslagen fotonen komen samen vrij, alsof ze uit dezelfde tijdbak komen.

Kwiat opmerkingen, "Een heleboel verschillende mogelijkheden in kaart brengen, alle verschillende tijdbakken, naar één - het vergroot de kans dat je iets kunt zien enorm."

Door de bron 40 keer te pulseren, wordt in wezen gegarandeerd dat er voor elke run ten minste één fotonenpaar wordt geproduceerd.

Bovendien, de vertragingslijn waarin de fotonen zijn opgeslagen heeft een verliespercentage van slechts 1,2 procent per cyclus; omdat de bron zo vaak wordt gepulseerd, het hebben van een laag verliespercentage is cruciaal. Anders, fotonen die in de eerste paar pulsen worden geproduceerd, kunnen gemakkelijk verloren gaan.

Als de fotonen eindelijk worden vrijgegeven, ze zijn met een hoog rendement gekoppeld in een single-mode optische vezel. Dit is de toestand waarin de fotonen zich moeten bevinden om bruikbaar te zijn in kwantuminformatietoepassingen.

Kwiat wijst erop, de efficiëntieverhoging van het op deze manier genereren van fotonen is aanzienlijk. Indien, bijvoorbeeld, een applicatie vroeg om een ​​12-fotonbron, men zou zes onafhankelijke SPDC-bronnen kunnen opstellen en wachten op een gebeurtenis wanneer elk van hen tegelijkertijd een enkel paar produceerde.

"'S Werelds beste concurrerende experiment op dit moment, waarbij gebruik werd gemaakt van deze meerdere fotontoestanden, moest ongeveer twee minuten wachten tot ze een enkele dergelijke gebeurtenis kregen, " merkt Kwiat op. "Ze pulseren met 80 miljoen keer per seconde - ze proberen heel, heel vaak - maar het is slechts ongeveer eens in de twee minuten dat ze deze gebeurtenis krijgen waarbij elke bron precies één fotonenpaar produceert.

"We kunnen op basis van ons tarief berekenen hoe groot de kans is dat we zoiets kunnen produceren. We rijden eigenlijk een stuk langzamer, dus we proberen het maar om de 2 microseconden - ze proberen het 160 keer zo vaak - maar omdat onze efficiëntie zo veel hoger is met multiplexen, we zouden eigenlijk in staat zijn om iets als 4 te produceren, 000 12-fotongebeurtenissen per seconde."

Met andere woorden, De productiesnelheid van Kwiat en Kaneda is ongeveer 500, 000 keer sneller.

Echter, zoals Kwiat opmerkt, nog enkele problemen moeten worden opgelost. Eén probleem komt voort uit de willekeurige aard van het down-conversieproces:er is een kans dat in plaats van een enkel fotonenpaar, meerdere fotonparen kunnen worden geproduceerd. Verder, omdat het in dit experiment gebruikte down-conversieproces relatief inefficiënt was, de bron werd "aangedreven" in een hoger tempo, waardoor de kans groter wordt dat dergelijke ongewenste meerdere paren zouden worden gegenereerd.

Zelfs rekening houdend met mogelijke multi-fotongebeurtenissen, het efficiëntieniveau van dit experiment was een wereldrecord.

Dus wat nu, en hoe gaat het Kwiat-team deze zeldzame ongewenste multifoton-gebeurtenissen aanpakken?

Colin Lualdi, een huidige afgestudeerde student die werkt in de onderzoeksgroep van Kwiat, werkt aan het upgraden van de bron met fotongetal-oplossende detectoren die multifoton-gebeurtenissen zouden negeren voordat de vertragingslijn wordt geactiveerd om ze op te slaan. Deze verbetering zou het probleem van multifoton-gebeurtenissen helemaal elimineren.

Een ander gebied van lopend onderzoek voor het team van Kwiat zal de efficiëntie van afzonderlijke onderdelen van het apparaat met één fotonbron verbeteren. Lualdi gelooft dat toekomstige verbeteringen de snelheid van de productie van enkelvoudige fotonen ver boven het huidige experiment zullen brengen.

"Het uiteindelijke doel is om enkele zuivere kwantumtoestanden voor te bereiden die we kunnen gebruiken om informatie te coderen en te verwerken op manieren die de klassieke benaderingen overtreffen, Lualdi legt uit. "Daarom is het zo noodzakelijk dat deze bronnen losse fotonen produceren. Als de bron onverwacht twee fotonen genereert in plaats van één, dan hebben we niet de basisbouwsteen die we nodig hebben."

En om elke vorm van betekenisvolle kwantuminformatieverwerking uit te kunnen voeren met deze fotonische qubits, er is een grote voorraad nodig.

Zoals Kwiat het stelt, "Het veld gaat verder dan experimenten met slechts een of twee fotonen. Mensen proberen nu experimenten uit te voeren met 10 tot 12 fotonen, en uiteindelijk willen we 50 tot 100 fotonen hebben."

Kwiat extrapoleert dat de verbeteringen die in dit werk worden aangebracht, de weg kunnen banen naar de capaciteit om meer dan 30 fotonen met hoge efficiëntie te genereren. De resultaten van Kwiat en Kaneda hebben ons een stap dichter bij het realiseren van optische kwantuminformatieverwerking gebracht.