Uudet fotoniset aaltoputket ja DLCZ-malli voivat auttaa kvanttiverkkoja kasvamaan

Ero on olennainen. Resonaattori voi kasvattaa emittoijan vaimenemisnopeutta voimakkaasti, jos sen resonanssi on sovitettu tarkasti oikealle taajuudelle. Aiemmissa erbiumin nanofotoniikan kokeissa kaviteerakenteilla onkin saavutettu erittäin suuria Purcell-vahvistuksia. Aaltoputkistrategian painopiste on kuitenkin vuotokanavien estämisessä ja toiminnassa laajemmalla fotonisella rakenteella.

Tutkijat pystyivät lisäksi erottamaan ja käsittelemään yksittäin kymmeniä erbiumseostajia. Tämä havainnollistaa, miksi pitkänomainen aaltoputkirakenne voi soveltua pientä, tiiviisti viritettyä resonaattoria paremmin multipleksointiin eli useiden emittoijien tai kanavien rinnakkaiseen käyttöön.

Miten aaltoputki eroaa kapeasti viritetystä resonaattorista?

• Fotonien valinta: Molemmat lähestymistavat voivat suosia hyödyllistä säteilyä. Aaltoputki tekee sen estämällä ei-toivottuja siirtymiä, kun taas resonaattori vahvistaa tarkasti sovitettua siirtymää.
• Tuotantonopeus: Kaviteevahvistus voi lyhentää emittoijan elinaikaa ja kasvattaa mahdollista toistotaajuutta. Münchenin menetelmää ei esitetä nopeutuskeinona, vaan sen etu on puhtaampi ja hallittavampi säteilyjakauma.
• Hallittavuus: Resonaattorin suorituskyky riippuu voimakkaasti emittoijan ja kaviteen taajuussovituksesta. Suunniteltu kaistakuilu voi vaimentaa ei-toivottuja kanavia ilman, että jokainen emittoija täytyy kohdistaa erikseen kapeaan resonanssiin.
• Kaistanleveys: Aaltoputki on suunniteltu vaimentamaan ja keräämään valoa taajuusalueella, ei vain yhden kapean resonanssiviivan kohdalla. Näin eri taajuisia emittoijia voidaan erottaa ja käyttökelpoisia lähtötaajuuksia valita laitteen toiminta-alueella.
• Skaalautuvuus: Kymmenien emittoijien erottaminen ja yksilöllinen käsittely sekä aaltoputken laajempi mooditilavuus viittaavat mahdollisuuteen rakentaa tilallisesti erillisiä ja erikseen ohjattavia laitteita. Kyse on kuitenkin skaalautuvuuden potentiaalista, ei valmiista kvanttiverkkoarkkitehtuurista.

Erbium on kiinnostava materiaali, koska se emittoi telekommunikaatiokaistan lähellä. Yksittäisten erbiumionien on osoitettu lähettävän valoa noin 1,5 mikrometrin aallonpituudella, joka sopii vähähäviöiseen siirtoon optisissa kuiduissa. Periaatteessa aaltoputkiin perustuvat erbiumrajapinnat voisivat siten tarjota useita telekommunikaatioyhteensopivia solmuja tai kanavia tuleviin kuitupohjaisiin kvanttiyhteyksiin. Nykyinen tulos on silti komponenttitason edistysaskel, ei pitkän matkan kvanttiviestinnän demonstraatio.

Taiwanin tutkimus: DLCZ-fotonien ja kvanttimuistien korrelaatioiden mallintaminen

Toinen tutkimus käsittelee eri ongelmaa: miten fotonilähteen ja kvanttimuistin yhteistoiminta muuttuu ajan kuluessa.

Duan–Lukin–Cirac–Zoller-protokollassa eli DLCZ-protokollassa kirjoituspulssi voi synnyttää Stokes-fotonin ja samalla kollektiivisen atomisen virityksen, jota kutsutaan spin-aalloksi. Myöhempi lukupulssi muuntaa tallennetun spin-aallon anti-Stokes-fotoniksi. Fotonin ja spin-aallon välinen yhteys on keskeinen niin sanotussa heralded-tallennuksessa, jossa yhden fotonin havaitseminen ilmoittaa kvanttimuistin tapahtumasta, sekä monimodisissa kvanttimuistijärjestelmissä.

National Cheng Kung Universityn ja National Tsing Hua Universityn tutkijat kehittivät tätä prosessia varten avoimen järjestelmän teorian, joka huomioi valon etenemisen. Malli yhdistää Heisenberg–Langevin-yhtälöt kvanttikohinalle ja atomien dynamiikalle sekä Maxwell–Schrödinger-yhtälöt optisten kenttien etenemiselle. Lisäksi se ottaa huomioon kirjoituspulssin aiheuttaman populaatioiden uudelleenjakautumisen, joten se pystyy kuvaamaan ajasta riippuvaa eikä vain ideaalista stationaarista käyttäytymistä.

Malli ennustaa yhdessä Stokes-emission aikaprofiilin, spin-aallon syntymisen ja kehityksen, takaisin haetun anti-Stokes-aallon muodon sekä Stokes- ja anti-Stokes-fotonien ajasta riippuvat ristikkäiskorrelaatiot. Näin pulssin muoto ja etenemisvaikutukset voidaan yhdistää suoraan syntyvän fotoni–kvanttimuistiparin laatuun.

Kokeissa vahvistettu skaalaussääntö

Raportoidut mittaukset vahvistivat tärkeän toimintaperiaatteen: aidot korreloituneet yhteisosumat kasvavat likimäärin lineaarisesti spin-aaltoherätteiden keskimääräisen määrän mukana, kun taas satunnaiset yhteisosumat kasvavat likimäärin neliöllisesti. Siksi normalisoitu fotoniparien ristikkäiskorrelaatio vahvistuu, kun spin-aaltoherätteiden keskimääräistä määrää pienennetään. Kokeissa korrelaatiot olivat myös voimakkaampia lyhyemmillä kirjoituspulsseilla.

Käytännössä kyse on nopeuden ja laadun välisestä kompromissista. Suurempi herätystaso voi tuottaa enemmän tapahtumia, mutta samalla ei-toivottujen useiden herätteiden ja satunnaisten havaintojen todennäköisyys kasvaa nopeammin. Mallin avulla voidaan valita kirjoitus- ja lukupulssien kestot, voimakkuudet, takaisinluvun ajoitus ja havaintoikkunat niin, että heralded-parien määrä ja taustakohinan määrä saadaan tasapainoon.

Koska teoria kuvaa myös takaisin haetun anti-Stokes-kentän ajallista muotoa, se voi auttaa sovittamaan kvanttimuistien ja etäisten verkkosolmujen temporaaliset moodit yhteen. Aiemmissa DLCZ-pohjaisissa tutkimuksissa on jo osoitettu monimodista tallennusta ja valikoivaa takaisinlukua eri fyysisissä järjestelmissä, joten ajallinen hallinta on tärkeä osa multipleksoitua kvanttiverkkoa.

Miksi tulokset ovat kiinnostavia yhdessä?

Münchenin työ on laitteistostrategia puhtaampien ja helpommin multipleksoitavien telekommunikaatiokaistan fotonirajapintojen tuottamiseen. Taiwanin työ on puolestaan mallinnus- ja ohjausstrategia, jolla fotoni–kvanttimuistikorrelatioista tehdään ajallisesti ennustettavampia. Tutkimukset eivät ole osa samaa koetta, eikä kumpikaan niistä yksin osoita toimivaa kvanttitoistinta tai pitkän matkan kvanttiverkkoa.

Yhdessä ne kuitenkin osuvat kahteen toisiaan täydentävään vaatimukseen: skaalautuvien emittoijien on tuotettava fotoneja käyttökelpoisissa optisissa kanavissa, ja kvanttimuistien on synnytettävä sekä palautettava korreloituneita fotoneja sellaisella ajoituksella ja kohinatasolla, jota verkkoprotokollat voivat hyödyntää.

DLCZ-tutkimus on julkaistu arXiv-esijulkaisuna, joten sen kokeellisia johtopäätöksiä on pidettävä ennakkojulkaisuun perustuvina, kunnes riippumaton vertaisarviointi on tehty.

Laajempi viesti on, että kvanttiverkkojen kehitys ei riipu vain fotonien määrän maksimoinnista. Myös koko valo–aine-rajapinta on suunniteltava: väärien taajuuksien vaimentaminen ja oikeiden ajallisten korrelaatioiden ennustaminen voivat tehdä tulevista kuituihin yhdistetyistä solmuista helpommin multipleksoitavia, viritettäviä ja integroitavia.