Kvantové sítě potřebují čistší fotony i přesnější paměti. Nové studie řeší obojí

Kvantová síť potřebuje víc než jen zdroj, který vyzáří světlo. Fotony musí mít správnou frekvenci, časování i korelace a jejich zdroje musí být možné opakovat v mnoha uzlech. Dvě nové práce řeší různé části tohoto problému. Výzkumníci z Technické univerzity v Mnichově (TUM) a Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST) upravili fotonické prostředí kolem atomů erbia tak, aby potlačili nežádoucí emisi. Samostatný tým z National Cheng Kung University a National Tsing Hua University na Tchaj-wanu zase vytvořil model pro předpovídání a řízení korelací ve zdrojích fotonů a kvantových pamětí založených na protokolu Duan–Lukin–Cirac–Zoller, zkráceně DLCZ.

Mnichovský přístup: zablokovat nežádoucí emisi

Klasické návrhy založené na optických dutinách se obvykle snaží zesílit vybraný optický přechod. Mnichovský tým zvolil opačnou strategii. Dopanty erbia umístil do křemíkového fotonického krystalového vlnovodu typu W1, jehož pečlivě navržená fotonická pásová mez potlačuje optické módy spojené s nežádoucími přechody erbia. Cílem tedy není pouze urychlit vyzařování jednoho přechodu, ale zabránit konkurenčním kanálům, aby odnášely část emise.

V prvních experimentech s erbiem vzrostl podíl záření v požadovaném přechodu z přibližně 23 na přibližně 72 %. Jde zhruba o trojnásobné zlepšení využitelného spektrálního větvení. Výsledek přitom nevyžadoval úzce naladěnou dutinu s vysokým činitelem kvality.

Tento rozdíl je důležitý. Rezonátor může výrazně zvýšit rychlost vyzařování, pokud je jeho rezonance přesně sladěná s emitorem. Dřívější práce s nanofotonickými strukturami pro erbium ukázaly velmi výrazné Purcellovo zesílení v dutinových strukturách. Vlnovodová strategie místo toho upřednostňuje potlačení únikových kanálů a fungování v širším fotonickém pásmu. Výzkumníci navíc rozlišili a jednotlivě ovládali desítky dopantů erbia, což naznačuje, proč by delší vlnovod mohl být pro multiplexování vhodnější než rezonátor s malým objemem.

V čem se vlnovod liší od úzce naladěného rezonátoru?

• Výběr fotonů: Oba přístupy mohou zvýhodnit užitečnou emisi. Vlnovod toho dosahuje potlačením nežádoucích přechodů, zatímco rezonátor zesiluje přechod odpovídající jeho rezonanci.
• Rychlost generování: Dutina může zkrátit životnost excitovaného stavu a zvýšit možnou opakovací frekvenci emitovaného záření. Mnichovská metoda není prezentována jako způsob, jak emisi urychlit; její předností je čistší a lépe kontrolované spektrální větvení.
• Řízení: Výkon rezonátoru silně závisí na přesném frekvenčním sladění emitoru s dutinou. Navržená pásová mez může nežádoucí kanály potlačit, aniž by bylo nutné každý emitor individuálně ladit na úzkou rezonanci.
• Šířka pásma: Vlnovod je navržen tak, aby potlačení i sběr světla poskytoval v určitém frekvenčním rozsahu, nikoli pouze na jediné úzké rezonanční linii. To umožňuje rozlišovat emitory s různými frekvencemi a vybírat použitelné výstupní přechody v rámci pracovního pásma zařízení.
• Škálovatelnost: Schopnost rozlišit a ovládat desítky emitorů spolu s rozšířeným objemem módu vlnovodu ukazuje na potenciál pro prostorově oddělená a individuálně adresovatelná zařízení. Nejde však ještě o hotovou architekturu kvantové sítě.

Erbium je pro tento účel zajímavé také proto, že vyzařuje v blízkosti telekomunikačního pásma. U jednotlivých iontů erbia bylo pozorováno vyzařování kolem 1,5 mikrometru, tedy na vlnové délce vhodné pro přenos optickými vlákny s nízkými ztrátami. V principu by vlnovodová rozhraní s erbiem mohla nabídnout více telekompatibilních uzlů nebo kanálů pro budoucí kvantová spojení přes optická vlákna. Současný výsledek je ale pokrokem na úrovni komponenty, nikoli demonstrací komunikace na velkou vzdálenost.

Tchajwanský výzkum: modelování korelací v protokolu DLCZ

Druhý vývoj se zaměřuje na jinou překážku: předpověď toho, jak spolu zdroj fotonů a kvantová paměť fungují v čase. V Ramanově procesu typu DLCZ může zapisovací pulz vytvořit Stokesův foton společně s kolektivní atomovou excitací, známou jako spinová vlna. Pozdější čtecí pulz tuto uloženou excitaci převede na anti-Stokesův foton. Vztah mezi spinovou vlnou a fotonem je zásadní pro heraldované ukládání i pro provoz kvantových pamětí ve více režimech.

Výzkumníci z National Cheng Kung University a National Tsing Hua University vytvořili teorii otevřeného systému, která do výpočtů zahrnuje šíření světla. Model kombinuje Heisenbergovy–Langevinovy rovnice popisující kvantový šum a dynamiku atomů s Maxwellovými–Schrödingerovými rovnicemi pro šíření optických polí. Zahrnuje také přerozdělení populací způsobené zapisovacím pulzem, takže dokáže popsat časově proměnné chování namísto idealizovaného stacionárního stavu.

Model společně předpovídá profil emise Stokesova fotonu, vznik a vývoj spinové vlny, časový průběh získaného anti-Stokesova fotonu i časově rozlišené křížové korelace mezi oběma fotony. Vědcům tak umožňuje přímo propojit tvar pulzu a vlivy šíření s kvalitou vznikající dvojice foton–paměť.

Experimentálně ověřené pravidlo škálování

Měření potvrdila důležitý princip fungování: počet skutečných korelovaných koincidencí roste přibližně lineárně se středním počtem spinových excitací, zatímco počet náhodných koincidencí roste přibližně kvadraticky. Normalizovaná křížová korelace fotonového páru je proto silnější při nižším průměrném počtu spinových excitací. Uváděné testy rovněž ukázaly silnější korelace při kratších zapisovacích pulzech.

Praktickým důsledkem je kompromis mezi rychlostí a kvalitou. Vyšší úroveň excitace může přinést více událostí, současně však rychleji zvyšuje pravděpodobnost nežádoucích vícenásobných excitací a náhodných detekcí. Model může pomoci při volbě délky a intenzity zapisovacích i čtecích pulzů, okamžiku vyčtení a časových detekčních oken tak, aby se vyvážila četnost heraldovaných párů s úrovní pozadí.

Protože rámec popisuje také časový tvar získaného anti-Stokesova pole, může podpořit sladění časových módů mezi paměťmi a vzdálenými uzly sítě. Dřívější práce založené na DLCZ již prokázaly ukládání ve více režimech a selektivní vyčítání v různých fyzikálních systémech. Časová kontrola je proto důležitou součástí multiplexovaných kvantových sítí.

Proč je důležité spojit oba pohledy

Mnichovská práce představuje hardwarovou strategii pro vytváření čistších a lépe multiplexovatelných fotonických rozhraní v telekomunikačním pásmu. Tchajwanská studie nabízí modelovací a řídicí nástroj, díky němuž lze časové korelace mezi fotony a kvantovou pamětí lépe předvídat. Nejde o součást jediného experimentu a žádná z těchto prací sama o sobě nepředstavuje kompletní kvantový opakovač ani síť na velkou vzdálenost.

Společně však řeší dvě doplňující se podmínky: škálovatelné emitory musí dodávat fotony do využitelných optických kanálů a kvantové paměti musí vytvářet a vyčítat korelované fotony s takovým časováním a úrovní šumu, které mohou síťové protokoly využít. Tchajwanská studie je dostupná jako preprint na arXivu, takže její experimentální závěry je třeba do nezávislého recenzního řízení považovat za předběžné.

Širší poučení je jednoduché: pokrok v kvantových sítích nezávisí pouze na maximalizaci počtu vyzářených fotonů. Stejně důležité je upravit celé rozhraní mezi světlem a hmotou — potlačit nesprávné frekvence a předvídat správné časové korelace. Právě to by mohlo budoucím uzlům propojeným optickými vlákny usnadnit multiplexování, ladění a integraci.