Jak vědci z Mnichova zlepšili zdroje jednotlivých fotonů pro kvantové sítě

Dvě nové studie řeší různé, ale navzájem důležité překážky na cestě ke kvantovým sítím. Mnichovský tým se zaměřil na to, jak vyrábět kvalitnější jednotlivé fotony pomocí škálovatelných pevnolátkových zdrojů. Výzkumníci z Tchaj-wanu zase vytvořili model, který pomáhá předvídat a řídit korelace mezi fotony a kvantovou pamětí potřebné pro kvantové opakovače typu DLCZ.

Mnichov: potlačit nežádoucí světlo

Výzkumníci z Technické univerzity v Mnichově (TUM) a Mnichovského centra pro kvantovou vědu a technologii (MCQST) vložili atomy erbia do mikrometrových vlnovodů W1 z křemíkového fotonického krystalu. Jejich upravená fotonická zakázaná pásma potlačují hustotu optických stavů u nežádoucích přechodů erbia. Vyzařování, které by jinak unikalo do těchto kanálů, se tak nasměruje k požadovanému přechodu — bez nutnosti selektivně zesilovat právě tento přechod rezonátorem.

V úvodním experimentu vzrostl podíl záření připadávající na žádoucí přechod z přibližně 23 % na zhruba 72 %. To odpovídá přibližně trojnásobnému zlepšení spektrální čistoty, respektive účinnosti rozdělení záření, a to bez vysokofrekvenčního rezonátoru s velmi přesným laděním frekvence.

V čem se přístup liší od Purcellova rezonátoru?

• Čistota fotonů: Obě metody mohou zvýšit podíl užitečných fotonů. Vlnovod z fotonického krystalu toho dosahuje hlavně potlačením únikových kanálů, nikoli výrazným urychlením rozpadu jediného vybraného kanálu.
• Rychlost a řízení: Purcellovy rezonátory mohou výrazně zkrátit dobu života emitujících stavů. To může zvýšit opakovací frekvenci, ale zároveň rozšířit fotony, zkomplikovat časování a řízení a u rychlých emitorů potenciálně zhoršit chyby způsobené více fotony. Vlnovod naproti tomu dobu života zachovává, případně ji může prodloužit, takže nabízí mírnější formu řízení.
• Šířka pásma a ladění: Vysokofrekvenční rezonátor funguje nejsilněji jen v úzkém spektrálním rozsahu a vyžaduje přesné sladění emitoru s rezonátorem. Vlnovod se zakázaným pásmem poskytuje sběr světla i potlačení nežádoucích přechodů v širším frekvenčním rozsahu. Emitory s různými optickými frekvencemi proto lze rozlišit, jednotlivě oslovit a zvolit jejich využitelnou výstupní frekvenci v rámci pracovního pásma zařízení.
• Škálovatelnost: Rozšířený objem módu vlnovodu umožňuje pracovat s nižší koncentrací dopantů a vyhýbá se omezením spojeným s malým objemem a vysokou hodnotou Q u rezonátorů. Autoři uvádějí, že dokázali rozlišit a jednotlivě řídit desítky atomů erbia.

Erbium navíc vyzařuje v blízkosti telekomunikačního pásma, v němž mají optická vlákna nízké ztráty. Taková širokopásmová a multiplexovatelná rozhraní mezi spinem a fotonem by proto v budoucnu mohla nabídnout velké množství samostatně řiditelných uzlů a kanálů pro kvantová spojení v optických vláknech. Jde však o navrhované využití, nikoli o již předvedenou dálkovou kvantovou síť.

Tchaj-wan: model pro řízení korelací v kvantové paměti

Týmy z Národní univerzity Čcheng-kung a Národní univerzity Čching-chua vytvořily teorii otevřeného systému, která zohledňuje šíření světla ve zdrojích Ramanových fotonů podle protokolu DLCZ. Název protokolu odkazuje na fyziky Duana, Lukina, Ciraca a Zollera a označuje způsob propojení korelovaných fotonových párů s kolektivní spinovou excitací uloženou v kvantové paměti.

Model kombinuje Heisenbergův–Langevinův popis kvantového šumu a dynamiky atomů s Maxwellovými–Schrödingerovými rovnicemi pro šíření optických polí. Zároveň zachovává redistribuci populace vyvolanou zapisovacím impulzem.

Díky tomu dokáže společně předpovídat časový průběh Stokesova vyzařování, vznik a vývoj kolektivní spinové vlny, časový tvar načteného anti-Stokesova fotonu i časově rozlišené křížové korelace mezi oběma fotony v realistických podmínkách.

Klíčovým experimentálně potvrzeným výsledkem je rozdílné škálování pravých korelovaných detekcí a náhodných shod. Počet skutečných korelovaných shod roste přibližně lineárně se středním počtem excitací spinové vlny, zatímco počet náhodných shod roste rychleji, přibližně kvadraticky. Normalizovaná křížová korelace fotonového páru je proto silnější při menším průměrném počtu excitací; v popsaných testech ji zlepšily kratší zapisovací impulzy.

Pro konstruktéry kvantových sítí to znamená možnost kvantitativně volit délku a intenzitu zapisovacích a čtecích impulzů, okamžik načtení i časová okna detekce. Cílem je získat co nejvíce užitečných heraldovaných párů a současně omezit pozadí způsobené více excitacemi a náhodnými shodami. Klasické řízení načtení může navíc časově ořezávat nebo směrovat anti-Stokesův vlnový balík, což pomáhá sladit časové módy mezi kvantovými paměťmi a vzdálenými síťovými uzly.

Dva díly stejné skládačky

Mnichovský výsledek představuje materiálový a fotonické rozhraní, zatímco tchajwanská práce nabízí teorii pro řízení zdroje a kvantové paměti. Společně naznačují cestu k multiplexovaným rozhraním pracujícím v telekomunikačním pásmu, u nichž lze současně řídit časový tvar fotonů i jejich korelace — vlastnosti důležité pro budoucí kvantové opakovače.

Studie o DLCZ korelacích je zveřejněna jako preprint na serveru arXiv. Její experimentální tvrzení je proto třeba považovat za předběžná, dokud neprojdou nezávislým recenzním řízením.