Kaedah baharu menjadikan foton tunggal lebih bersih dan lebih mudah dikawal

Dua kajian ini menyentuh masalah berbeza tetapi saling melengkapi dalam usaha membina rangkaian kuantum. Kajian di Munich memfokuskan cara menghasilkan foton tunggal daripada pemancar keadaan pepejal dengan lebih bersih dan berskala, manakala penyelidik di Taiwan membangunkan kaedah untuk meramal serta mengawal korelasi antara foton dan memori kuantum.

Munich: menapis cahaya yang salah, bukan sekadar menguatkan cahaya yang betul

Penyelidik dari Technical University of Munich (TUM) dan Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST) memasukkan dopan erbium ke dalam pandu gelombang kristal fotonik silikon W1 berskala mikrometer. Struktur ini mempunyai jurang jalur fotonik yang direka khas untuk mengurangkan ketumpatan keadaan optik tempatan pada peralihan erbium yang tidak dikehendaki.

Kesannya, cahaya yang biasanya akan terpancar melalui saluran-saluran tersebut ditekan dan sebahagiannya diarahkan kepada peralihan yang dikehendaki. Pendekatan ini berbeza daripada penggunaan rongga resonans yang meningkatkan kadar pancaran satu saluran secara selektif melalui kesan Purcell.

Dalam eksperimen awal, bahagian pancaran radiatif pada peralihan yang dikehendaki meningkat daripada kira-kira 23% kepada kira-kira 72%—hampir tiga kali ganda dari segi ketulenan spektrum atau kecekapan pembahagian pancaran. Peningkatan itu dicapai tanpa memerlukan rongga berfaktor Q tinggi yang perlu dipadankan frekuensinya dengan tepat kepada pemancar.

Mengapa pendekatan pandu gelombang ini penting?

• Ketulenan foton: Kedua-dua rongga Purcell dan pandu gelombang boleh meningkatkan bahagian foton yang berguna. Namun, pandu gelombang ini berbuat demikian dengan menyekat saluran kebocoran, bukannya mempercepatkan pereputan satu saluran secara mendadak.

• Kelajuan dan kawalan: Rongga Purcell boleh memendekkan jangka hayat pemancar dengan banyak. Ini berpotensi meningkatkan kadar pengulangan, tetapi juga boleh melebarkan foton, menyukarkan penyelarasan masa dan kawalan, serta berpotensi meningkatkan ralat berbilang foton bagi pemancar yang pantas. Pendekatan pandu gelombang mengekalkan atau boleh memanjangkan jangka hayat pemancar, lalu menawarkan kawalan yang lebih lembut dengan mengorbankan peningkatan kelajuan secara paksa.

• Lebar jalur dan kebolehlarasan: Rongga berfaktor Q tinggi biasanya berfungsi dengan kuat dalam julat frekuensi yang sempit dan memerlukan pemadanan rapat antara pemancar dengan rongga. Sebaliknya, pandu gelombang berjurang jalur ini menawarkan pengumpulan cahaya dan penindasan pancaran merentas julat frekuensi yang lebih luas. Ini membolehkan pemancar dengan frekuensi optik berbeza dikenal pasti dan dikawal secara individu, sementara frekuensi output yang boleh digunakan dipilih dalam julat operasi peranti.

• Kebolehskalaan: Mod optik pandu gelombang yang lebih meluas membolehkan penggunaan kepekatan dopan yang lebih rendah dan mengelakkan kekangan isipadu kecil serta faktor Q tinggi yang boleh mengehadkan penggandaan saluran dalam rongga. Penyelidik melaporkan bahawa berpuluh-puluh dopan erbium dapat dikenal pasti dan dikawal secara individu.

Erbium memancarkan cahaya berhampiran jalur telekomunikasi yang digunakan oleh gentian optik berkehilangan rendah. Oleh itu, antara muka spin–foton yang boleh digandakan merentas banyak saluran ini berpotensi menyediakan nod dan saluran yang boleh dikawal secara individu untuk pautan kuantum berasaskan gentian. Namun, aplikasi tersebut masih merupakan prospek—kajian ini belum menunjukkan rangkaian jarak jauh yang berfungsi.

Taiwan: model menyeluruh untuk mengawal korelasi DLCZ

Penyelidik dari National Cheng Kung University dan National Tsing Hua University pula membangunkan teori sistem terbuka yang mengambil kira perambatan untuk sumber foton Raman berasaskan protokol Duan–Lukin–Cirac–Zoller (DLCZ). Protokol ini menggunakan pasangan foton dan eksitasi spin kolektif—sering disebut gelombang spin—sebagai asas kepada memori kuantum dan pengulang kuantum.

Kerangka tersebut menggabungkan pendekatan Heisenberg–Langevin bagi hingar kuantum serta dinamik atom dengan perambatan medan optik melalui persamaan Maxwell–Schrödinger. Ia turut mengekalkan kesan pengagihan semula populasi yang disebabkan oleh denyutan tulis.

Dengan model ini, penyelidik boleh meramalkan secara bersama:

• pancaran Stokes yang berubah mengikut masa;
• penciptaan dan evolusi gelombang spin kolektif;
• bentuk gelombang anti-Stokes yang diperoleh semula; dan
• korelasi silang Stokes–anti-Stokes mengikut masa dalam keadaan yang lebih hampir kepada eksperimen sebenar.

Hasil utama yang disahkan melalui eksperimen ialah bilangan kebetulan yang benar-benar berkorelasi meningkat secara hampir linear dengan purata bilangan eksitasi gelombang spin. Sebaliknya, kebetulan tidak sengaja meningkat dengan lebih pantas—kira-kira secara kuadratik. Ini bermakna korelasi silang foton yang dinormalkan menjadi lebih kuat apabila purata eksitasi gelombang spin dikurangkan. Dalam ujian yang dilaporkan, denyutan tulis yang lebih pendek turut meningkatkan korelasi.

Penemuan ini memberi panduan kuantitatif untuk memilih tempoh dan keamatan denyutan tulis serta baca, masa pengambilan semula, dan tetingkap masa pengesanan. Matlamatnya ialah memaksimumkan kadar pasangan foton yang boleh dicetuskan, sambil mengehadkan latar belakang daripada eksitasi berbilang dan kebetulan tidak sengaja.

Kawalan klasik terhadap proses pengambilan semula juga boleh digunakan untuk membuka atau membahagikan paket gelombang anti-Stokes mengikut masa. Ini membantu memadankan mod masa antara memori kuantum dan nod rangkaian yang berjauhan.

Dua pendekatan, satu hala tuju

Hasil Munich ialah strategi bahan dan antara muka foton yang bertujuan menghasilkan pemancar tunggal yang lebih bersih serta mudah digandakan. Hasil Taiwan pula ialah teori kawalan sumber dan memori yang membantu jurutera mereka bentuk masa serta korelasi foton.

Jika digabungkan pada masa hadapan, kedua-duanya boleh menyokong antara muka yang serasi dengan jalur telekomunikasi, mempunyai banyak saluran, dan menghasilkan mod temporal foton yang sesuai untuk pengulang kuantum. Walau bagaimanapun, kajian DLCZ Taiwan dilaporkan sebagai pracetak arXiv. Oleh itu, tuntutan eksperimennya wajar dianggap sebagai hasil pra-penerbitan sehingga disemak oleh rakan sebaya secara bebas.