Sådan forsøger forskere at løse to af kvanteteknologiens store flaskehalse

To nye forskningsresultater peger på hver sin løsning på udfordringer, der står i vejen for praktiske kvantenetværk: Hvordan producerer man mange rene enkeltfotoner fra faste materialer, og hvordan sikrer man, at fotonerne passer tidsmæssigt sammen med kvantehukommelser?

Forskerne fra Münchens Tekniske Universitet (TUM) og Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST) ændrer selve det fotoniske miljø omkring emitteren. Et andet forskerhold fra National Cheng Kung University og National Tsing Hua University i Taiwan har udviklet en model, der kan beskrive og styre korrelationerne mellem fotoner og kvantehukommelser.

München: Undertryk det uønskede lys

Forskerne indlejrede erbiumatomer i W1-siliciumbølgeledere med fotoniske krystaller i mikrometerskala. Bølgeledernes fotoniske båndgab undertrykker den lokale optiske tæthed af tilstande ved de erbiumovergange, som ikke er ønskede. Emission, der normalt ville forsvinde gennem disse kanaler, ledes dermed i højere grad over i den ønskede overgang. Metoden bygger altså på at blokere det forkerte lys – ikke på kun at forstærke det rigtige med et resonanshulrum.

I det indledende forsøg steg den ønskede overgangs andel af den radiative emission fra cirka 23 procent til cirka 72 procent. Det svarer til omtrent en tredobling af den spektrale renhed eller forgreningsvirkning, uden at forskerne behøvede et høj-Q-hulrum, der skulle være præcist afstemt til emitterens frekvens.

Hvordan adskiller metoden sig fra et resonanshulrum?

• Renhed: Begge metoder kan øge andelen af anvendelige fotoner. Bølgelederen gør det dog ved at undertrykke lækagekanaler i stedet for at få én kanal til at henfalde meget hurtigere.
• Hastighed og kontrol: Purcell-resonatorer kan forkorte emitterens levetid markant. Det kan øge gentagelsesfrekvensen, men også gøre fotonerne bredere og gøre timing og kontrol vanskeligere. For hurtige emittere kan det desuden potentielt øge risikoen for flerfotonfejl. Bølgeledermetoden bevarer eller kan forlænge emitterens levetid og giver derfor en mere skånsom form for kontrol.
• Båndbredde og justering: Et høj-Q-hulrum virker kraftigst over et smalt frekvensområde og kræver tæt frekvensmatch mellem emitter og hulrum. Båndgab-bølgelederen kan derimod opsamle og undertrykke emission over et bredere område. Det gør det muligt at skelne mellem emittere med forskellige optiske frekvenser, adressere dem enkeltvis og vælge de anvendelige udgangsfrekvenser inden for enhedens arbejdsområde.
• Skalerbarhed: Den udstrakte modvolumen i bølgelederen gør det muligt at arbejde med lavere koncentrationer af dopanter og undgå nogle af de begrænsninger, som små hulrum med høj Q-faktor giver ved multiplexing. Forskerne oplyser, at de kunne opløse og adressere dusinvis af erbiumatomer individuelt.

Erbium udsender lys tæt på det telekommunikationsbånd, hvor optiske fibre har lave tab. Derfor kan teknologien på længere sigt bruges til mange individuelt adresserbare spin-foton-grænseflader i fiberbaserede kvanteforbindelser. Det er dog en mulig anvendelse – ikke en allerede demonstreret langdistanceforbindelse.

Taiwan: En samlet model for fotonernes korrelationer

Forskerne fra Taiwan har udviklet en teori for DLCZ-baserede Raman-fotonkilder. DLCZ er opkaldt efter Duan, Lukin, Cirac og Zoller og beskriver en metode, hvor fotonpar kobles til kollektive excitationer i en atomart kvantesystem, også kaldet spinbølger.

Modellen tager højde for fotonernes udbredelse gennem systemet og kombinerer en Heisenberg-Langevin-beskrivelse af kvantestøj og atomdynamik med Maxwell-Schrödinger-ligninger for de optiske felter. Den medregner også den ændring i atomernes populationsfordeling, som skrivepulsen kan forårsage.

Dermed kan modellen samlet forudsige:

• det tidsafhængige Stokes-signal,
• hvordan den kollektive spinbølge skabes og udvikler sig,
• den tidslige form på den genudsendte anti-Stokes-foton,
• og de tidsopløste krydskorrelationer mellem Stokes- og anti-Stokes-fotoner under realistiske forhold.

Et centralt resultat, som blev bekræftet eksperimentelt, er en forskel i skaleringen: Ægte korrelerede sammenfald vokser omtrent lineært med det gennemsnitlige antal excitationer i spinbølgen, mens tilfældige sammenfald vokser hurtigere – omtrent kvadratisk. Den normaliserede fotonpar-korrelation bliver derfor stærkere, når den gennemsnitlige spinbølgeexcitation sænkes. I de rapporterede forsøg gav kortere skrivepulser stærkere korrelationer.

Det giver udviklere et kvantitativt værktøj til at vælge skrive- og læsepulsers varighed og intensitet, tidspunktet for udlæsning samt tidsvinduerne for måling. Målet er at få så mange brugbare, heraldede fotonpar som muligt uden at øge baggrunden fra flere samtidige excitationer og tilfældige sammenfald. Den demonstrerede klassiske kontrol over udlæsningen kan også bruges til at åbne eller udskære dele af anti-Stokes-bølgepakken. Det kan hjælpe med at matche tidslige tilstande mellem kvantehukommelser og fjerne netværksnoder.

To brikker til samme kvantenetværk

München-resultatet er først og fremmest en strategi for materialer og fotoniske grænseflader: Ved at fjerne uønskede emissionskanaler bliver enkeltfotonkilder potentielt lettere at skalere. Taiwan-resultatet er en teori for styring af kilden og kvantehukommelsen: Den beskriver, hvordan fotonernes tidslige form og korrelationer kan optimeres.

Sammen peger resultaterne mod telekommunikationskompatible grænseflader med mange kanaler, hvor både fotonernes frekvens, tidslige tilstand og korrelationer kan tilpasses kvante-repeatere. Studiet fra Taiwan er offentliggjort som et arXiv-fortryk, og dets eksperimentelle resultater bør derfor betragtes som foreløbige, indtil de er uafhængigt fagfællebedømt.