Gelombang Cahaya Mikroskopis Bantu Hasilkan Foton Tunggal yang Lebih Siap untuk Komunikasi Kuantum

Dua terobosan teoretis dan eksperimental terbaru menyasar bagian berbeda dari tantangan jaringan kuantum. Peneliti di Technical University of Munich (TUM) dan Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST) berupaya membuat sumber foton tunggal berbasis material padat lebih bersih dan mudah diperbanyak. Sementara itu, tim dari National Cheng Kung University dan National Tsing Hua University di Taiwan mengembangkan cara untuk memprediksi serta mengatur korelasi antara foton dan memori kuantum dalam protokol DLCZ.

Munich: menekan cahaya yang salah

Tim TUM/MCQST menanamkan dopan erbium ke dalam waveguide kristal fotonik silikon W1 berukuran mikrometer. Struktur ini memiliki celah pita fotonik yang menekan kerapatan keadaan optik lokal pada transisi erbium yang tidak diinginkan. Akibatnya, emisi yang biasanya keluar melalui jalur-jalur tersebut diarahkan secara relatif ke transisi yang diinginkan.

Pendekatan ini berbeda dari metode Purcell, yang menggunakan resonator untuk mempercepat emisi pada satu frekuensi tertentu. Dalam percobaan awal, porsi emisi radiatif pada transisi yang diinginkan meningkat dari sekitar 23% menjadi sekitar 72%—sekitar tiga kali lipat—tanpa memerlukan rongga berfaktor kualitas tinggi yang harus dicocokkan frekuensinya secara presisi.

Apa keunggulan waveguide ini?

• Kemurnian foton: Kedua pendekatan dapat meningkatkan proporsi foton yang berguna. Namun, waveguide melakukannya dengan menekan jalur kebocoran, bukan dengan membuat satu jalur meluruh jauh lebih cepat.
• Kecepatan dan kendali: Resonator Purcell dapat memperpendek masa hidup emitor secara drastis. Hal ini berpotensi meningkatkan laju pengulangan, tetapi juga dapat memperlebar foton, menyulitkan pengaturan waktu, dan meningkatkan risiko kesalahan multifoton pada emitor yang bekerja cepat. Waveguide menawarkan kendali yang lebih lembut dengan mempertahankan atau bahkan memperpanjang masa hidup emitor.
• Lebar pita dan penyetelan: Rongga berfaktor kualitas tinggi biasanya bekerja kuat pada rentang frekuensi sempit dan memerlukan penyetelan emitor–rongga yang dekat. Sebaliknya, waveguide dengan celah pita dapat mengumpulkan dan menekan emisi pada rentang frekuensi yang lebih luas. Dengan demikian, emitor pada frekuensi optik berbeda dapat dipisahkan dan dikendalikan secara individual.
• Skalabilitas: Volume mode waveguide yang lebih luas memungkinkan penggunaan konsentrasi dopan yang lebih rendah dan menghindari keterbatasan rongga berukuran kecil. Peneliti melaporkan bahwa mereka dapat mengidentifikasi serta mengendalikan puluhan dopan erbium secara individual.

Erbium juga memancarkan cahaya di sekitar pita telekomunikasi, yang dapat merambat melalui serat optik dengan kehilangan sinyal yang rendah. Karena itu, antarmuka spin–foton yang dapat dimultipleks dan bekerja pada pita tersebut berpotensi menjadi elemen penting untuk jaringan kuantum berbasis serat. Namun, ini masih merupakan kemungkinan aplikasi, bukan demonstrasi jaringan kuantum jarak jauh yang sudah selesai.

Taiwan: memetakan korelasi dalam sumber foton DLCZ

Penelitian kedua berfokus pada protokol Duan–Lukin–Cirac–Zoller (DLCZ), sebuah skema yang menghubungkan pasangan foton dengan eksitasi kolektif atom yang disebut spin wave. Eksitasi ini dapat berfungsi sebagai memori kuantum: foton pertama, atau foton Stokes, menandai penyimpanan eksitasi; pulsa berikutnya kemudian mengambil kembali informasi tersebut sebagai foton anti-Stokes.

Peneliti dari National Cheng Kung University dan National Tsing Hua University mengembangkan teori sistem terbuka yang memperhitungkan perambatan cahaya. Kerangka ini menggabungkan pendekatan Heisenberg–Langevin untuk menggambarkan derau kuantum dan dinamika atom dengan persamaan Maxwell–Schrödinger untuk perambatan medan optik. Model tersebut juga memasukkan redistribusi populasi atom yang dipicu oleh pulsa tulis.

Dengan kerangka ini, peneliti dapat memprediksi secara bersamaan:

• emisi Stokes yang berubah terhadap waktu;
• pembentukan dan evolusi spin wave kolektif;
• bentuk gelombang temporal anti-Stokes setelah proses pengambilan kembali; dan
• korelasi silang Stokes–anti-Stokes yang diukur dari waktu ke waktu dalam kondisi yang lebih realistis.

Hasil utama yang dikonfirmasi melalui eksperimen menunjukkan bahwa jumlah kebetulan yang benar-benar berkorelasi kira-kira meningkat secara linear terhadap jumlah rata-rata eksitasi spin wave. Sebaliknya, kebetulan tak sengaja meningkat lebih cepat, kira-kira secara kuadratik. Artinya, korelasi pasangan foton yang dinormalisasi menjadi lebih kuat ketika jumlah rata-rata eksitasi spin wave diturunkan. Dalam pengujian yang dilaporkan, pulsa tulis yang lebih pendek juga memperkuat korelasi.

Temuan ini memberi perancang sistem kuantum dasar kuantitatif untuk memilih durasi dan intensitas pulsa tulis maupun baca, menentukan waktu pengambilan kembali, serta menetapkan jendela waktu deteksi. Tujuannya adalah mempertahankan laju pasangan foton terpicu yang berguna sambil membatasi latar belakang akibat eksitasi ganda dan kebetulan tak sengaja. Kendali klasik atas proses pengambilan kembali juga dapat digunakan untuk membuka atau memotong paket gelombang anti-Stokes, sehingga mode temporal dari dua memori atau node jaringan yang berjauhan dapat dicocokkan.

Dua pendekatan yang saling melengkapi

Hasil dari Munich merupakan strategi pada tingkat material dan antarmuka foton: lingkungan fotonik diubah agar emisi yang tidak diinginkan ditekan sejak awal. Hasil dari Taiwan merupakan teori pengendalian sumber dan memori: hubungan temporal antara foton dan eksitasi atom dipetakan agar dapat direkayasa.

Jika digabungkan, kedua arah penelitian ini mengisyaratkan kemungkinan pembangunan antarmuka foton–memori yang kompatibel dengan telekomunikasi, dapat menangani banyak kanal, serta memiliki mode temporal dan korelasi yang sesuai untuk jaringan kuantum berulang (quantum repeater). Studi DLCZ dari Taiwan dilaporkan sebagai pracetak arXiv, sehingga klaim eksperimennya masih perlu diperlakukan sebagai hasil prapublikasi hingga melalui penelaahan sejawat secara independen.