Onderzoekers onderdrukken ongewenste lichtemissie in nieuwe bron voor enkele fotonen

De golfgeleider van de Münchense onderzoekers kiest voor een mildere aanpak: concurrerende emissiekanalen worden onderdrukt, terwijl de levensduur van de emitter behouden kan blijven of zelfs langer kan worden. Daar staat tegenover dat de methode de emitter niet doelbewust versnelt.

Ook werkt een hoog-Q-resonator doorgaans sterk binnen een smalle spectrale band en vereist die een nauwkeurige afstemming tussen emitter en resonator. De fotonische bandgap van de golfgeleider biedt onderdrukking en koppeling over een breder frequentiegebied. Daardoor kunnen emitters met verschillende optische frequenties worden onderscheiden en afzonderlijk worden aangesproken, terwijl de bruikbare uitvoerfrequenties binnen het werkingsgebied van het apparaat kunnen worden geselecteerd.

De grotere effectieve modusvolumes van golfgeleiders maken bovendien lagere dopantconcentraties mogelijk. Daarmee worden beperkingen van resonatoren met een zeer klein volume en een hoge kwaliteitsfactor vermeden, wat belangrijk is voor multiplexing: het parallel inzetten van meerdere afzonderlijke kanalen. De onderzoekers melden dat ze tientallen erbiumemitters konden onderscheiden en individueel aanspreken.

Erbium zendt licht uit rond de telecommunicatieband, waarin glasvezels relatief weinig verliezen. De combinatie van die golflengte met breedbandige en multiplexbare spin-fotoninterfaces zou daarom veel afzonderlijk bestuurbare knooppunten voor glasvezelverbindingen kunnen ondersteunen. Een kwantumnetwerk over lange afstand is hiermee nog niet gedemonstreerd; het gaat om een mogelijke toekomstige toepassing.

Taiwan: foton-geheugencorrelaties modelleren

Onderzoekers van National Cheng Kung University en National Tsing Hua University ontwikkelden een theorie voor Raman-fotonbronnen volgens het DLCZ-protocol. DLCZ staat voor Duan, Lukin, Cirac en Zoller en beschrijft een methode waarbij fotonen worden gekoppeld aan collectieve spinexcitaties in een kwantumgeheugen.

Hun model houdt rekening met voortplanting en combineert een Heisenberg-Langevinbeschrijving van kwantumruis en atomaire dynamica met Maxwell-Schrödingervergelijkingen voor de optische velden. Ook nemen de onderzoekers de herverdeling van de populatie door de schrijfimpuls mee.

Het raamwerk voorspelt gezamenlijk:

• de tijdsafhankelijke emissie van Stokesfotonen;
• het ontstaan en de ontwikkeling van de collectieve spinwave;
• de temporele vorm van het teruggewonnen anti-Stokesfoton;
• de tijdsopgeloste kruiscorrelaties tussen Stokes- en anti-Stokesfotonen onder realistische omstandigheden.

De centrale, experimenteel bevestigde schaalwet is dat echte gecorreleerde detecties ongeveer lineair toenemen met het gemiddelde aantal spinwave-excitaties. Toevallige detecties nemen daarentegen sneller toe, ongeveer kwadratisch. Daardoor wordt de genormaliseerde foton-paarcorrelatie sterker wanneer het gemiddelde aantal excitaties lager ligt. In de gerapporteerde tests versterkten kortere schrijfimpulsen de correlaties.

Voor ontwerpers biedt dit een manier om de duur en intensiteit van schrijf- en leesimpulsen, het moment van uitlezen en de temporele detectievensters op elkaar af te stemmen. Zo kan de opbrengst van bruikbare, door een detectie aangekondigde fotonparen worden verhoogd, terwijl achtergrond door meerdere excitaties en toevallige detecties beperkt blijft. De gecontroleerde uitlezing kan de anti-Stokes-golf bovendien in tijd selecteren of opdelen, wat helpt om temporele fotonmodi tussen geheugens en externe netwerkknooppunten op elkaar af te stemmen.

Twee complementaire stappen richting kwantumrepeaters

De Münchense studie is vooral een strategie voor materialen en fotoninterfaces: ze verandert de optische omgeving van de emitter om ongewenste emissie te blokkeren. De Taiwanese studie is een theorie voor bron- en geheugencontrole: ze beschrijft hoe de tijdsvormen en correlaties van geheugengestuurde fotonparen kunnen worden ontworpen.

Samen wijzen de resultaten op toekomstige, telecomcompatibele interfaces waarin niet alleen veel afzonderlijke kanalen beschikbaar zijn, maar ook de temporele modi en correlaties van de uitgezonden fotonen kunnen worden afgestemd op kwantumrepeaters. De DLCZ-studie is gepubliceerd als arXiv-preprint. De experimentele claims moeten daarom als voorlopig worden beschouwd totdat ze onafhankelijk zijn beoordeeld via peerreview.