Kwantumnetwerken kunnen praktisch worden geïmplementeerd om te communiceren met verschillende kwantumsystemen. Om hybride systemen fotonisch te verbinden met gecombineerde unieke eigenschappen van elk samenstellend systeem, wetenschappers moeten bronnen met dezelfde fotonenemissiegolflengte integreren. Bijvoorbeeld, ingesloten ionen en neutrale atomen kunnen beide dwingende eigenschappen hebben als knooppunten en herinneringen binnen kwantumnetwerken, maar zonder fotonische koppeling vanwege hun enorm verschillende werkende golflengten. In een recent rapport over wetenschappelijke vooruitgang , J.D. Siverns en collega's van het Joint Quantum Institute, Department of Physics en het Army Research Laboratory in de VS hebben de eerste interactie aangetoond tussen neutrale atomen en fotonen die worden uitgezonden door een enkel gevangen ion.

Om dit te bereiken, ze gebruikten Rubidium ( ⁸⁷ Rb) damp om de oorsprong van fotonen uit een ingesloten Barium ( ¹³⁸ Ba ⁺ ) ion met maximaal 13,5 ± 0,5 nanoseconden (ns). De onderzoekers gebruikten kwantumfrequentieconversie (QFC) om het frequentieverschil tussen de ionen en neutrale atomen tijdens het proces te overwinnen. Ze stemden de vertraging af en behielden het tijdelijke profiel van de fotonen en leverden de resultaten als een hybride fotonische interface met toepassingen als een synchronisatietool die essentieel is voor grootschalige kwantumnetwerken in de toekomst.

Om schaalbare kwantumnetwerken tot stand te brengen, natuurkundigen moeten ongelijksoortige kwantumcomponenten integreren. Onderzoekers hadden eerder fotonische kwantumsystemen gekoppeld om hybride platforms met enkele atomen te vormen, Bose-Einstein condensaten, solid-state systemen, atomaire dampen en atomaire ensembles. Vooruitgang in hybride netwerken is meestal gericht op gevallen waarin de oorspronkelijke fotongolflengte van elk systeem per definitie hetzelfde is, of via directe engineering van de fotonbron zelf. In een praktisch netwerk, aan dergelijke strenge eisen zal waarschijnlijk niet worden voldaan, aangezien fotonen die worden uitgezonden door bestaande apparaten in kwantumcommunicatietechnologieën variëren over een breed fotonenspectrum. Om spectrale mismatch te voorkomen, onderzoekers kunnen kwantumfrequentieconversie (QFC) introduceren om de frequentie van een foton om te zetten in een andere frequentie met behoud van de kwantumeigenschappen. Een hybride systeem dat de gewenste eigenschappen van verschillende componenten combineert, kan helpen bij het realiseren van een levensvatbare kwantumnetwerktool.

Gevangen ionen zijn sterke kandidaten voor communicatieknooppunten vanwege hun lange qubit-levensduur en high-fidelity ion-fotonenverstrengeling. Neutrale atomen zijn veelzijdige kwantumsystemen die bruikbaar zijn als geheugens, fotonopslagmedia of voor afstembare fotonvertraging door licht te vertragen. Investeren in het ontwerp, controle en ontwikkeling van ingesloten ionen en neutrale kwantumtechnologieën hebben opmerkelijke vooruitgang opgeleverd in kwantumnetwerken, computergebruik, metrologie en simulatie. Onderzoekers gebruiken gewoonlijk neutrale atoomdampen en magneto-optisch ingesloten atomen als langzaam licht medium voor lichtpulsen of voor enkele fotonen. Licht vertragen voor afstembare fotonische vertragingen is handig voor fotonsynchronisatie om netwerkprotocollen te implementeren met behulp van fotonische interferentie. In het huidige werk, Siverns et al. demonstreerde de eerste interactie tussen neutrale atomen en fotonen die door een ion worden uitgezonden door de fotonen te vertragen die worden gegenereerd door een enkel opgesloten ion in een neutrale atoomdamp.

Om een ​​medium te creëren met een lage groepssnelheid voor langzame lichtvoortplanting binnen atomaire dampen, het onderzoeksteam gebruikte fotonen met een frequentie tussen twee absorptieresonanties van een medium. Ze onderzochten de twee absorptieresonanties met behulp van elektromagnetisch geïnduceerde transparantie (EIT) of verre resonantie. Siverns et al. gebruikte twee D ₂ absorptieresonanties vastgesteld via hyperfijne grondtoestandsplitsing van ⁸⁷ Rb met een minder complexe experimentele opstelling in vergelijking met EIT-methoden, waarvoor slechts enkele fotonen op de juiste frequentie nodig waren. De onderzoekers leidden vervolgens de groepssnelheid af van de fotonen die door Ba . werden uitgezonden ⁺ ionen na QFC (kwantumfrequentieconversie). Ze stemden de optische frequentie van het foton af om een ​​maximale transmissie en sterk verminderde groepssnelheid te bereiken. Siverns et al. de fotonvertraging afgesteld door de atoomnummerdichtheid (N) te wijzigen.

Als de bron van de 493-nm enkele fotonen, het onderzoeksteam gebruikte ¹³⁸ Ba ⁺ ionen, die ze opsloten door spanningen toe te passen op gesegmenteerde bladen in een ultrahoge vacuümkamer. Ze verzamelden de fotonen met behulp van een 0,4 numerieke apertuur (NA) lens; fiber koppelde ze en stuurde ze naar de QFC-opstelling. Het onderzoeksteam koppelde de fotonen van een specifieke frequentie aan een pomplaser om een ​​andere frequentie te vormen in de buurt van 1343 nm, die ze koppelden aan een periodiek gepoolde lithiumniobaat (PPLN) golfgeleider voor het genereren van verschilfrequenties (DFG). Na frequentieafstemming van de pomplaser, het team produceerde 780 nm fotonen met een frequentie tussen twee optische absorptieresonanties om langzaam licht te implementeren. De wetenschappers toonden de conversie-efficiëntie van het PPLN-apparaat aan als een functie van het pompvermogen dat in de golfgeleider is gekoppeld.

Siverns et al. de signaal-ruisverhouding (SNR) van het geconverteerde licht gemaximaliseerd in plaats van de totale hoeveelheid geconverteerd licht te gebruiken. Ze converteerden de 493-nm-fotonen met behulp van DFG (difference frequency generation) om de optische frequentie van de pomp af te stemmen. De wetenschappers koppelden de uitvoer van de PPLN aan een 800 nm single-mode vezel om 780 nm fotonen te vangen en filterden de andere modi ruimtelijk weg. Na het filteren van de fotonen, het onderzoeksteam stuurde ze door een 75 mm lange verwarmde glazen cel gevuld met verrijkte ⁸⁷ Rb, die ze ontdekten met behulp van een lawinefotodiode (APD). Toen de fotonen bij kamertemperatuur door de rubidiumcel gingen, hun absorptie en verstrooiing verminderde de signaal-ruisverhouding tot ~ 6. Om de tijdelijke vorm te meten, ze registreerden de aankomsttijd van de fotonen bij het APD, ten opzichte van de 650 nm excitatie akoestische-optische modulator (AOM) en transistor-transistor logic (TTL) puls met een tijd-gecorreleerde, single-photon counter met een resolutie van 512 picoseconden (ps). Met verhoogde atoomdichtheid van de dampcel, de SNR nam monotoon af tot ~1 bij 395 K. Ondanks lagere SNR, de fotonvertragingen bleven duidelijk zichtbaar.

Het onderzoeksteam bepaalde de fotonvertraging door elk vertraagd foton tijdelijk te verschuiven om te overlappen met een fotonvorm bij kamertemperatuur. De wetenschappers merkten de fotonen op die door de Ba ⁺ ion en de drift van de pomplaser om de stabiliteit van de optische frequentie van de geconverteerde fotonen te beïnvloeden. Ze hebben tot doel de fotonvertragingen te vergroten en de transmissie te verbeteren door in de toekomst de niet-lineaire brekingsindex in de damp te verhogen met behulp van geavanceerde methoden zoals EIT (elektromagnetisch geïnduceerde transparantie).

Op deze manier, J.D. Siverns en collega's demonstreerden de eerste interacties van fotonen die worden uitgezonden door een gevangen ion met een neutraal atoomsysteem. Ze vertraagden experimenteel de frequentie-geconverteerde fotonen die werden uitgezonden door een gevangen ion in een warme rubidium-dampcel. Het team observeerde afstembare vertragingen tot 13,5 ± 0,5 ns met verwaarloosbare temperatuurspreiding van de fotonen. Het onderzoekswerk faciliteerde een ideaal systeem voor gebruik als een apparaat om externe kwantumknooppunten in een hybride kwantumnetwerk afstembaar te synchroniseren.

De nieuwe benadering biedt een pad naar fotonische kwantumpoorten tussen verre ionen en neutrale atomen, waarbij elk systeem onafhankelijk fotonen met een vergelijkbaar profiel kan uitzenden. Het werk zal ook de weg vrijmaken voor toekomstige overdracht van kwantumtoestanden tussen ionen en neutrale atomen om experimentele, ion-neutrale atoom fotonische verstrengeling distributie, en fotonische opslag van vliegende qubits die worden uitgezonden door ingesloten ionen in combinatie met bestaande, geavanceerde atoomtechnologieën.

© 2019 Wetenschap X Netwerk