Nieuwe golfgeleiders en DLCZ-modellen pakken twee knelpunten van quantumnetwerken aan

Quantumnetwerken hebben meer nodig dan een bron die licht uitzendt. Ze moeten fotonen produceren met de juiste frequentie, timing en onderlinge correlaties — en dat via interfaces die op veel knooppunten kunnen worden herhaald. Twee recente ontwikkelingen pakken elk een ander deel van dat probleem aan. Onderzoekers van de Technische Universität München (TUM) en het Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST) veranderden de fotonische omgeving rond erbiumemitters om ongewenste emissie te onderdrukken. Een afzonderlijk team van de National Cheng Kung University en de National Tsing Hua University ontwikkelde een model om correlaties in bronnen met fotonen en quantumgeheugens te voorspellen en te ontwerpen volgens het Duan-Lukin-Cirac-Zoller-protocol (DLCZ).

München kiest voor het blokkeren van ongewenste emissie

Bij conventionele ontwerpen met optische resonatoren proberen onderzoekers meestal één gewenste overgang te versterken. Het team uit München koos juist voor de omgekeerde strategie. Het plaatste erbiumdopanten in een W1-silicium-fotonische-kristalgolfgeleider met een zorgvuldig ontworpen fotonische bandkloof. Die bandkloof onderdrukt de optische modi die horen bij ongewenste erbiumovergangen. Het doel is dus niet simpelweg om één overgang sneller te laten vervallen, maar om te voorkomen dat concurrerende stralingskanalen de emissie afvoeren.

In eerste experimenten met erbium steeg het aandeel van de gewenste stralingsovergang van ongeveer 23% naar ongeveer 72%. Dat komt neer op een verbetering van ongeveer factor drie in het bruikbare spectrale vertakkingsaandeel. Daarvoor was geen smal afgestemde resonator met een hoge kwaliteitsfactor nodig.

Dat verschil is belangrijk. Een resonator kan de vervalsnelheid van een emitter sterk verhogen wanneer zijn resonantie nauwkeurig is afgestemd; eerder nanofotonisch onderzoek met erbium liet al grote Purcell-versterkingen in caviteitsstructuren zien. De golfgeleiderstrategie legt daarentegen de nadruk op het onderdrukken van lekkanalen en op werking over een bredere fotonische structuur. In het gerapporteerde onderzoek konden bovendien tientallen erbiumdopanten afzonderlijk worden onderscheiden en aangesproken. Dat laat zien waarom een langgerekte golfgeleider mogelijk geschikter is voor multiplexing dan een resonator met een zeer klein volume.

Wat verandert er ten opzichte van een smal afgestemde resonator?

• Selectie van fotonen: beide benaderingen kunnen bruikbare emissie bevoordelen. De golfgeleider doet dat door ongewenste overgangen te remmen; een resonator versterkt juist een overgang die goed op zijn resonantie is afgestemd.
• Generatiesnelheid: caviteitsversterking kan de levensduur van een emitter verkorten en daarmee de mogelijke herhalingssnelheid verhogen. De Münchense methode wordt niet gepresenteerd als een manier om de bron sneller te maken. Het voordeel ligt vooral in een schonere en beter beheersbare verdeling van de emissie, niet in geforceerde versnelling.
• Controle: de prestaties van een resonator hangen sterk af van een nauwkeurige frequentie-afstemming tussen emitter en caviteit. Een ontworpen bandkloof kan ongewenste kanalen onderdrukken zonder dat elke emitter afzonderlijk op een smalle caviteitsresonantie moet worden afgestemd.
• Bandbreedte: de golfgeleider is ontworpen om over een frequentiebereik onderdrukking en koppeling te bieden, in plaats van alleen rond één smalle resonantielijn. Daardoor kunnen emitters met verschillende frequenties worden onderscheiden en kan binnen het werkingsbereik van het apparaat een bruikbare uitgangsovergang worden geselecteerd.
• Schaalbaarheid: het vermogen om tientallen emitters te onderscheiden en afzonderlijk aan te spreken, in combinatie met het uitgestrekte modale volume van de golfgeleider, wijst op potentieel voor meer ruimtelijk gescheiden en individueel bestuurbare apparaten. Het is een aanwijzing voor schaalbaarheid, geen voltooid quantumnetwerk.

Erbium is hierbij bijzonder interessant omdat het licht uitzendt nabij de telecommunicatieband. Van afzonderlijke erbiumionen is emissie rond 1,5 micrometer aangetoond, een golflengte die geschikt is voor transmissie met weinig verlies door optische vezels. In principe kunnen golfgeleidergebaseerde erbiuminterfaces daardoor meerdere telecomcompatibele knooppunten of kanalen leveren voor toekomstige quantumverbindingen via glasvezel. Het huidige resultaat is echter nog een vooruitgang op componentniveau, geen demonstratie van communicatie over grote afstand.

Taiwan ontwikkelt een model voor DLCZ-foton-geheugencorrelaties

De tweede ontwikkeling richt zich op een ander probleem: voorspellen hoe een fotonbron en een quantumgeheugen zich gezamenlijk in de tijd gedragen. Bij een Ramanproces in DLCZ-stijl kan een schrijfimpuls een Stokes-foton produceren samen met een collectieve atomaire excitatie, die een spin-golf wordt genoemd. Een latere leesimpuls zet die opgeslagen excitatie om in een anti-Stokes-foton. De relatie tussen spin-golf en foton vormt de basis voor geconditioneerde opslag en werking met meerdere modi in quantumgeheugens.

Onderzoekers van de National Cheng Kung University en de National Tsing Hua University ontwikkelden hiervoor een theorie voor open systemen waarin ook voortplanting wordt meegenomen. Het raamwerk combineert Heisenberg-Langevinvergelijkingen voor kwantumruis en atomaire dynamica met Maxwell-Schrödingervergelijkingen voor de voortplanting van optische velden. Ook houdt het rekening met de herverdeling van de populatie die door de schrijfimpuls wordt veroorzaakt. Daardoor kan het model tijdsafhankelijke, realistische situaties beschrijven in plaats van alleen geïdealiseerde stationaire toestanden.

Het model voorspelt gezamenlijk het emissieprofiel van Stokes-fotonen, de vorming en evolutie van de spin-golf, de vorm van het teruggewonnen anti-Stokes-signaal en de tijdsafhankelijke kruisingscorrelaties tussen Stokes- en anti-Stokes-fotonen. Onderzoekers krijgen daarmee een manier om de vorm van de pulsen en voortplantingseffecten rechtstreeks te verbinden aan de kwaliteit van het gevormde foton-geheugenpaar.

De experimenteel geteste schaalregel

De gerapporteerde metingen bevestigden een belangrijk werkingsprincipe: echte gecorreleerde coincidences nemen ongeveer lineair toe met het gemiddelde aantal spin-golfexcitaties, terwijl toevallige coincidences ongeveer kwadratisch groeien. Daardoor wordt de genormaliseerde kruisingscorrelatie tussen fotonparen sterker wanneer het gemiddelde aantal spin-golfexcitaties lager wordt. De tests lieten bovendien sterkere correlaties zien bij kortere schrijfimpulsen.

In de praktijk betekent dit een afweging tussen snelheid en kwaliteit. Een hoger excitatiepeil kan meer gebeurtenissen opleveren, maar vergroot ook de kans op ongewenste meervoudige excitaties en toevallige detecties sneller. Het model kan ontwerpers helpen om de duur en intensiteit van schrijf- en leespulsen, het moment van uitlezen en de detectievensters zo te kiezen dat de opbrengst van geconditioneerde fotonparen wordt afgewogen tegen de achtergrondruis.

Omdat het raamwerk ook de temporele vorm van het teruggewonnen anti-Stokes-veld beschrijft, kan het helpen bij het op elkaar afstemmen van temporele modi in geheugens en op afstand verbonden netwerkknooppunten. In eerder DLCZ-onderzoek zijn al multimode-opslag en selectieve uitlezing aangetoond in verschillende fysieke systemen. Daarmee wordt temporele controle een belangrijk onderdeel van multiplexing in quantumnetwerken.

Waarom deze resultaten samen relevant zijn

Het Münchense onderzoek biedt een hardwarestrategie voor schonere en beter te multiplexen telecom-fotoninterfaces. Het Taiwanese onderzoek biedt een strategie voor modellering en controle waarmee foton-geheugencorrelaties in de tijd voorspelbaarder worden. De twee resultaten komen niet uit één experiment, en geen van beide toont op zichzelf een complete quantumrepeater of een quantumnetwerk over grote afstand aan.

Samen pakken ze wel twee aanvullende voorwaarden aan. Schaalbare emitters moeten fotonen leveren via bruikbare optische kanalen, terwijl quantumgeheugens gecorreleerde fotonen moeten kunnen produceren en uitlezen met een timing en ruisniveau die netwerkprotocollen daadwerkelijk kunnen benutten. De Taiwanese studie is beschikbaar als arXiv-preprint. De experimentele conclusies moeten daarom als voorlopig worden beschouwd totdat ze onafhankelijk peerreviewed zijn.

De bredere les is dat vooruitgang in quantumnetwerken afhangt van het ontwerpen van de volledige licht-materie-interface — niet alleen van het maximaliseren van de hoeveelheid uitgezonden licht. Het onderdrukken van de verkeerde frequenties en het voorspellen van de juiste temporele correlaties kan toekomstige, via glasvezel verbonden knooppunten eenvoudiger te multiplexen, af te stemmen en te integreren maken.