Slik lager forskere renere enkeltfotoner for kvantekommunikasjon

To nyere forskningsbidrag tar for seg hver sin flaskehals i utviklingen av kvantenettverk: Hvordan kan man lage mange, stabile enkeltfotonkilder – og hvordan kan man kontrollere fotonenes tidsmessige korrelasjoner når de kobles til et kvanteminne?

Arbeidet fra Technical University of Munich (TUM) og Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST) handler om selve fotonkilden. Forskerne endret det optiske miljøet rundt emitterne slik at lyset som ikke er ønsket, i større grad blir undertrykt. Den taiwanske studien utvikler på sin side en modell for å beregne og styre samspillet mellom fotoner og kvanteminner i såkalte DLCZ-baserte systemer.

München: Steng ute feil lys i stedet for å forsterke riktig lys

Forskerne ved TUM og MCQST plasserte erbiumdopanter i W1-bølgeledere av silisium med fotonisk krystallstruktur. Bølgelederne er bare mikrometer store, men har et fotonisk båndgap som undertrykker den lokale optiske tilstandstettheten ved uønskede erbiumoverganger. Lys som ellers ville ha lekket ut gjennom disse kanalene, blir dermed i større grad ledet mot den ønskede overgangen.

Dette skiller seg fra den vanlige tilnærmingen med et resonanshulrom og Purcell-forsterkning. I et slikt hulrom forsøker man å få én bestemt overgang til å skje mye raskere. München-metoden handler i stedet om å hindre konkurrerende overganger.

I det første eksperimentet økte andelen av den radiative emisjonen som kom fra den ønskede overgangen, fra omtrent 23 prosent til omtrent 72 prosent. Det tilsvarer rundt en tredobling av spektral renhet eller forgrenings effektivitet – uten behov for et høy-Q-hulrom som må finjusteres til emitterens frekvens.

Hva er forskjellen fra et tradisjonelt resonanshulrom?

• Renhet: Begge metodene kan øke andelen nyttige fotoner. Bølgelederen gjør det ved å undertrykke lekkasjekanaler, ikke ved å få én kanal til å tømme emitteren langt raskere.
• Hastighet og kontroll: Purcell-hulrom kan forkorte levetiden til en emitter kraftig. Det kan gi høyere repetisjonshastighet, men også bredere fotoner, mer krevende tidsstyring og i enkelte tilfeller større risiko for flerfotonfeil. Bølgeledermetoden bevarer eller kan forlenge emitterens levetid, og gir dermed en roligere form for kontroll.
• Båndbredde og justering: Et høy-Q-hulrom virker effektivt innenfor et smalt frekvensområde og krever nøyaktig tilpasning mellom emitter og hulrom. Båndgap-bølgelederen kan samle inn og undertrykke lys over et bredere område. Det gjør det mulig å skille ut og adressere emittere med ulike optiske frekvenser individuelt, så lenge de ligger innenfor enhetens arbeidsområde.
• Skalerbarhet: Den utstrakte modusen i bølgelederen gjør det mulig å bruke lavere dopantkonsentrasjoner og unngå noen av begrensningene ved hulrom med lite volum og høy Q-verdi. Forskerne rapporterer at de kunne skille mellom og adressere titalls erbiumdopanter individuelt.

Erbium er særlig interessant fordi det sender ut lys nær telekom-båndet, der optiske fibre har lave tap. Det kan gjøre slike grensesnitt relevante for fremtidige kvantenettverk med mange separate noder og kanaler. Dette er likevel en mulig anvendelse på lengre sikt, ikke en demonstrasjon av et ferdig langdistanse-kvantenettverk.

Taiwan: En samlet modell for foton- og minnekorrelasjoner

Forskerne ved National Cheng Kung University og National Tsing Hua University utviklet en teori for DLCZ-baserte Raman-fotokilder som tar hensyn til hvordan lysfeltene faktisk forplanter seg gjennom systemet. DLCZ er oppkalt etter Duan, Lukin, Cirac og Zoller, som foreslo en metode der korrelerte fotoner og kollektive spinn-eksitasjoner i atomer kan brukes som byggesteiner i kvantenettverk.

Den nye modellen kombinerer en Heisenberg–Langevin-beskrivelse av kvantestøy og atomdynamikk med Maxwell–Schrödinger-ligninger for forplantningen av de optiske feltene. Den tar også med hvordan skrivepulsen omfordeler befolkningen i atomsystemet.

Rammeverket beregner samlet:

• den tidsavhengige Stokes-emisjonen,
• hvordan den kollektive spinnbølgen oppstår og utvikler seg,
• den tidsmessige formen på det hentede anti-Stokes-fotonet,
• og tidsoppløste krysskorrelasjoner mellom Stokes- og anti-Stokes-fotoner under realistiske forhold.

Et sentralt resultat, som ble bekreftet eksperimentelt, er at ekte korrelerte treff øker omtrent lineært med det gjennomsnittlige antallet eksitasjoner i spinnbølgen. Tilfeldige treff øker derimot raskere, omtrent kvadratisk. Den normaliserte korrelasjonen mellom fotonpar blir derfor sterkere når den gjennomsnittlige spinnbølge-eksitasjonen senkes. I forsøkene ga kortere skrivepulser sterkere korrelasjoner.

Dette gir forskere et mer presist grunnlag for å velge varighet og intensitet på skrive- og lese pulser, tidspunktet for uthenting og hvor brede tidsvinduer detektoren skal bruke. Målet er å få høyest mulig rate av nyttige, heraldede fotonpar uten å øke bakgrunnen fra flere samtidige eksitasjoner og tilfeldige treff.

Studien viser også at klassisk kontroll av uthentingen kan brukes til å åpne og lukke for, eller dele opp, anti-Stokes-bølgepakken. Det kan gjøre det enklere å tilpasse fotonenes tidsmodus til hverandre når kvanteminner skal kobles sammen over avstand.

To brikker i samme kvantenettverk

München-resultatet er først og fremst en strategi for materialer og fotongrensesnitt: Ved å utforme bølgelederen kan man få renere og mer skalerbare enkeltfotonkilder. Taiwan-resultatet er en teori for kilde- og minnekontroll: Ved å modellere forplantning og korrelasjoner kan man bedre forme fotonenes tidsmodus.

Sett under ett peker arbeidene mot telekomkompatible kvantegrensesnitt med mange kanaler, der både fotonenes frekvens, tidsform og korrelasjoner kan tilpasses kvanteforsterkere og andre nettverksnoder. Den taiwanske studien er publisert som et arXiv-fortrykk, og de eksperimentelle påstandene bør derfor regnes som foreløpige inntil arbeidet er fagfellevurdert.