Ny fotonik kan gøre kvantenetværk mere skalerbare

Det er en vigtig forskel. En resonator kan øge en emitters henfaldshastighed kraftigt, når dens resonans rammer præcist. Tidligere nanofotoniske forsøg med erbium har vist meget store Purcell-forstærkninger i hulrumsstrukturer. Bølgelederstrategien prioriterer i stedet at lukke for lækagekanaler og fungere over en bredere fotonisk struktur.

Forskerne kunne desuden opløse og adressere titals erbiumdopanter individuelt. Det peger på, hvorfor en langstrakt bølgeledergeometri kan være bedre egnet til multipleksing end en resonator med meget lille volumen.

Hvad er forskellen på en bølgeleder og en smalt afstemt resonator?

• Valg af fotoner: Begge metoder kan fremhæve den nyttige emission. Bølgelederen gør det ved at hæmme uønskede overgange, mens resonatoren forstærker en overgang, der matcher dens resonans.
• Hastighed: En hulrumsforstærkning kan forkorte emitterens levetid og dermed øge den mulige gentagelsesrate. München-metoden præsenteres ikke som en hastighedsforøgelse; dens fordel er en renere og mere kontrollerbar fordeling af emissionen frem for en tvungen acceleration.
• Kontrol: En resonators ydeevne afhænger i høj grad af frekvensmatchningen mellem emitter og hulrum. Et skræddersyet båndgab kan undertrykke uønskede kanaler uden at kræve, at hver emitter afstemmes til en smal resonans.
• Båndbredde: Bølgelederen er designet til at undertrykke og opsamle lys over et frekvensområde i stedet for kun omkring én smal resonanslinje. Det gør det muligt at opløse emittere med forskellige frekvenser og vælge brugbare udgangsovergange inden for enhedens arbejdsområde.
• Skalerbarhed: Evnen til at opløse og adressere titals emittere samt bølgelederens udstrakte modvolumen peger på et potentiale for flere rumligt adskilte og individuelt kontrollerbare enheder. Det er dog et tegn på skalerbarhed – ikke endnu et færdigt kvantenetværk.

Erbium er særligt interessant, fordi stoffet udsender lys tæt på telekommunikationsbåndet. Enkeltstående erbiumioner er tidligere blevet demonstreret ved omkring 1,5 mikrometer, en bølgelængde der er kompatibel med transmission i optiske fibre med lavt tab.

I princippet kan erbiumgrænseflader baseret på bølgeledere derfor levere flere telekompatible noder eller kanaler til fremtidige kvanteforbindelser via fiber. Det aktuelle resultat er dog stadig et fremskridt på komponentniveau og ikke en demonstration af langdistance-kvantekommunikation.

Taiwansk fremskridt: Modellering af DLCZ-korrelationer

Det andet resultat handler om en anden udfordring: at forudsige, hvordan en fotonkilde og en kvantehukommelse udvikler sig sammen over tid.

I en Raman-proces af DLCZ-typen kan en skrivepuls skabe en Stokes-foton samtidig med en kollektiv atomar excitation, der kaldes en spinbølge. En senere læsepuls omdanner den lagrede excitation til en anti-Stokes-foton. Forholdet mellem spinbølge og foton er centralt for heraldet lagring og kvantehukommelser med flere tidslige tilstande.

Forskere fra National Cheng Kung University og National Tsing Hua University har udviklet en teori for åbne systemer, der tager højde for lysets udbredelse i processen. Modellen kombinerer Heisenberg–Langevin-ligninger, som beskriver kvantestøj og atomdynamik, med Maxwell–Schrödinger-ligninger, der beskriver udbredelsen af de optiske felter. Den medregner også, hvordan skrivepulsen ændrer befolkningsfordelingen i atomerne, så modellen kan beskrive tidsafhængig og ikke kun idealiseret, stationær dynamik.

Modellen forudsiger samlet Stokes-emissionens profil, spinbølgens dannelse og udvikling, den tilbagevundne anti-Stokes-bølgeform samt tidsopløste krydskorrelationer mellem Stokes- og anti-Stokes-fotoner. Dermed kan forskerne koble pulsform og udbredelseseffekter direkte til kvaliteten af det skabte foton–hukommelsespar.

Den eksperimentelt bekræftede skalering

Målingerne bekræftede et vigtigt princip: Ægte korrelerede sammenfald vokser omtrent lineært med det gennemsnitlige antal spinbølgeexcitationer, mens tilfældige sammenfald vokser omtrent kvadratisk. Derfor bliver den normaliserede krydskorrelation mellem fotonpar stærkere, når den gennemsnitlige spinbølgeexcitation sænkes. Forsøgene viste også stærkere korrelationer ved kortere skrivepulser.

I praksis betyder det, at der er en afvejning mellem hastighed og kvalitet. Et højere excitationsniveau kan give flere hændelser, men øger samtidig sandsynligheden for uønskede multiple excitationer og tilfældige detektioner endnu hurtigere.

Modellen kan hjælpe udviklere med at vælge varighed og styrke for skrive- og læsepulser, tidspunktet for udlæsning samt det tidsvindue, hvor detektorerne måler. På den måde kan man afveje antallet af heraldede fotonpar mod baggrundsstøj.

Fordi modellen også beskriver den tidslige form af det tilbagevundne anti-Stokes-felt, kan den understøtte matchning af tidslige tilstande mellem hukommelser og fjerne netværksnoder. Tidligere DLCZ-baserede forsøg har allerede vist multipleksing og selektiv udlæsning i forskellige fysiske systemer, hvilket gør tidslig kontrol til en vigtig del af fremtidens kvantenetværk.

Hvorfor resultaterne er interessante samlet

München-resultatet er en hardwarestrategi til at skabe renere og mere multipleksbare fotongrænseflader i telekommunikationsbåndet. Taiwan-resultatet er en strategi for modellering og kontrol, der skal gøre korrelationer mellem fotoner og kvantehukommelser mere forudsigelige over tid.

De to resultater kommer ikke fra ét samlet eksperiment, og ingen af dem demonstrerer alene en komplet kvanteforstærker eller et langdistance-kvantenetværk. Tilsammen adresserer de dog to krav, der hænger tæt sammen: Skalerbare emittere skal levere fotoner i brugbare optiske kanaler, mens kvantehukommelser skal kunne skabe og hente korrelerede fotoner med den timing og støjprofil, som netværksprotokoller kræver.

DLCZ-studiet er offentliggjort som et arXiv-fortryk. Dets eksperimentelle konklusioner bør derfor betragtes som foreløbige, indtil de er uafhængigt fagfællebedømt.

Den overordnede pointe er, at fremskridt inden for kvantenetværk kræver, at hele lys–stof-grænsefladen bliver konstrueret med omhu – ikke blot at man maksimerer lysudbyttet. Hvis man både kan undertrykke de forkerte frekvenser og forudsige de rigtige tidslige korrelationer, kan fremtidige fibertilsluttede noder blive lettere at multiplekse, afstemme og integrere.