Kvanttiverkkojen fotonilähteille kaksi uutta edistysaskelta

Erbium on kiinnostava myös siksi, että sen emissio sijoittuu tietoliikenteessä käytetylle telekommunikaatioalueelle, jolla valokuidun häviöt ovat pieniä. Siksi laajakaistaiset ja multipleksoitavat spin–fotoni-rajapinnat voisivat tulevaisuudessa tarjota useita erikseen ohjattavia solmuja tai kanavia kuitupohjaisiin kvanttiyhteyksiin. Kyse on kuitenkin mahdollisesta sovelluksesta, ei vielä osoitetusta pitkän matkan kvanttiverkosta.

Taiwanissa mallinnettiin fotonien ja kvanttimuistin yhteispeliä

National Cheng Kung Universityn ja National Tsing Hua Universityn tutkijat kehittivät etenemisvaikutukset huomioivan avoimen järjestelmän teorian DLCZ-Raman-fotonilähteille. DLCZ viittaa Duanin, Lukinin, Ciracin ja Zollerin ehdottamaan menetelmään, jossa fotonipari ja atomien kollektiivinen spinheräte toimivat kvanttiverkon perusrakennuspalikoina.

Tutkijoiden malli yhdistää Heisenberg–Langevin-käsittelyn kvanttikohinalle ja atomien dynamiikalle Maxwell–Schrödinger-yhtälöihin, jotka kuvaavat optisten kenttien etenemistä. Mallissa säilytetään myös kirjoituspulssin aiheuttama populaatioiden uudelleen jakautuminen.

Kehys ennustaa samanaikaisesti:

• Stokes-fotonin ajallisen emission,
• kollektiivisen spin-aallon synnyn ja kehityksen,
• luetun anti-Stokes-fotonin ajallisen aaltomuodon sekä
• Stokes- ja anti-Stokes-fotonien ajasta riippuvan ristikkäiskorrelaation realistisissa olosuhteissa.

Kokeissa vahvistettu keskeinen riippuvuus on, että aidot korreloituneet yhteensattumat kasvavat likimain lineaarisesti spin-aallon keskimääräisen viritysmäärän mukana. Satunnaiset yhteensattumat puolestaan kasvavat nopeammin, likimain toisen asteen eli neliöllisesti. Tämän vuoksi normalisoitu fotoniparin ristikkäiskorrelaatio vahvistuu, kun spin-aallon keskimääräistä viritysmäärää pienennetään. Raportoiduissa testeissä lyhyemmät kirjoituspulssit paransivat korrelaatioita.

Mallin avulla suunnittelijat voivat valita kirjoitus- ja lukupulssien keston sekä voimakkuuden, lukemisen ajoituksen ja käytettävät aikaikkunat. Tavoitteena on kasvattaa hyödyllisten, heraldattujen fotoniparien määrää ja samalla rajoittaa usean virityksen sekä satunnaisten taustatapahtumien aiheuttamia virheitä. Tutkimuksessa osoitettu lukemisen klassinen säätö voi myös rajata tai jakaa anti-Stokes-aaltopaketin ajallisesti, mikä helpottaa kvanttimuistien ja etäisten verkon solmujen ajallista yhteensovitusta.

Kaksi eri ratkaisua samaan verkkohaasteeseen

Münchenin tulos on materiaali- ja fotonirajapintaan liittyvä ratkaisu: se muokkaa ympäristöä niin, että erbiumatomit lähettävät vähemmän ei-toivottua valoa. Taiwanin tulos on puolestaan lähde- ja muistijärjestelmien hallintaa koskeva teoria: se auttaa ennustamaan ja säätämään fotonien ajallisia korrelaatioita.

Yhdessä nämä lähestymistavat viittaavat tulevaisuuden telekommunikaatioyhteensopiviin rajapintoihin, joissa fotonien taajuus, ajallinen muoto ja korrelaatiot voidaan sovittaa kvanttitoistimien tarpeisiin. Taiwanin tutkimus on julkaistu arXiv-esijulkaisuna, joten sen kokeellisiin väitteisiin on syytä suhtautua ennakkotuloksina, kunnes riippumaton vertaisarviointi on tehty.