Dwa kroki w stronę bardziej skalowalnych sieci kwantowych

Sieć kwantowa potrzebuje czegoś więcej niż źródła, które po prostu emituje światło. Fotony muszą mieć odpowiednią częstotliwość, moment emisji i korelacje, a same interfejsy powinny dać się powielać w wielu węzłach. Dwa nowe osiągnięcia rozwiązują różne części tego problemu. Badacze z Politechniki Monachijskiej (TUM) i Munich Center for Quantum Science and Technology zmienili środowisko fotoniczne wokół emiterów erbowych, aby ograniczyć niepożądaną emisję. Z kolei zespoły z National Cheng Kung University i National Tsing Hua University opracowały model przewidywania i kształtowania korelacji w źródłach foton–pamięć opartych na protokole Duana–Lukina–Ciraca–Zollera, znanym jako DLCZ.

Monachium: zamiast wzmacniać właściwe światło, tłumić niewłaściwe

W typowych konstrukcjach wykorzystujących wnęki optyczne dąży się do wzmocnienia wybranego przejścia optycznego. Zespół z Monachium obrał przeciwną strategię. Umieścił domieszki erbu w falowodzie W1 wykonanym z krzemu i wykorzystującym kryształ fotoniczny. Odpowiednio zaprojektowana przerwa fotoniczna tłumi mody optyczne związane z niepożądanymi przejściami erbu. Celem nie jest więc wyłącznie przyspieszenie zaniku jednego rodzaju emisji, lecz zablokowanie konkurencyjnych kanałów, które odbierałyby użyteczne fotony.

W pierwszych eksperymentach z erbem udział emisji przypadającej na pożądane przejście wzrósł z około 23 do około 72 proc. Oznacza to mniej więcej trzykrotną poprawę użytecznego rozdziału widmowego. Wynik uzyskano bez korzystania z wąsko dostrojonej wnęki optycznej o wysokim współczynniku jakości.

To ważne rozróżnienie. Rezonator może silnie zwiększyć szybkość zaniku emitera, jeśli jego rezonans zostanie dokładnie dopasowany do częstotliwości emisji. Wcześniejsze prace nad nanofotoniką erbu pokazały bardzo duże wzmocnienia Purcella w strukturach wnękowych. Strategia falowodowa koncentruje się natomiast na ograniczeniu kanałów strat i pracy w szerszym zakresie właściwości struktury fotonicznej. W opisanym doświadczeniu udało się także rozróżnić i indywidualnie adresować dziesiątki domieszek erbu. To pokazuje, dlaczego wydłużony falowód może lepiej nadawać się do multipleksowania niż rezonator o małej objętości.

Falowód a wąsko dostrojony rezonator

• Wybór fotonów: oba podejścia mogą faworyzować użyteczną emisję. Falowód robi to przez hamowanie niepożądanych przejść, natomiast rezonator wzmacnia przejście dopasowane do jego rezonansu.
• Szybkość generacji: wzmocnienie wnękowe może skrócić czas życia emitera i zwiększyć możliwą częstotliwość powtarzania emisji. Metoda monachijska nie jest przedstawiana jako sposób na przyspieszenie emitera; jej zaletą jest czystszy i bardziej kontrolowalny rozdział emisji.
• Sterowanie: działanie rezonatora silnie zależy od dopasowania częstotliwości emitera i wnęki. Zaprojektowana przerwa fotoniczna może tłumić niepożądane kanały bez konieczności indywidualnego dostrajania każdego emitera do wąskiego rezonansu.
• Pasmo pracy: falowód ma zapewniać tłumienie i sprzęganie emisji w pewnym zakresie częstotliwości, a nie tylko przy jednej, wąskiej linii rezonansowej. Ułatwia to rozróżnianie emiterów o różnych częstotliwościach oraz wybieranie użytecznych przejść wyjściowych w paśmie pracy urządzenia.
• Skalowalność: możliwość rozróżnienia i adresowania dziesiątek emiterów, wraz z rozciągniętą geometrią falowodu, wskazuje na potencjał tworzenia bardziej przestrzennie rozdzielonych i indywidualnie sterowanych urządzeń. To jednak dowód na możliwość skalowania, a nie gotowa architektura sieci.

Erb jest szczególnie interesujący, ponieważ emituje w pobliżu pasma telekomunikacyjnego. Pojedyncze jony erbu wykazywały emisję w okolicach 1,5 mikrometra — długości fali kompatybilnej z transmisją w światłowodach o małych stratach. W przyszłości falowodowe interfejsy erbowе mogłyby zatem dostarczać wielu kompatybilnych z telekomunikacją węzłów lub kanałów dla kwantowych połączeń światłowodowych. Obecny rezultat pozostaje jednak osiągnięciem na poziomie pojedynczego komponentu, a nie demonstracją długodystansowej komunikacji kwantowej.

Tajwan: model korelacji foton–pamięć w protokole DLCZ

Drugie osiągnięcie dotyczy innego wyzwania: przewidywania, jak źródło fotonów i pamięć kwantowa zachowują się w czasie. W procesie ramanowskim typu DLCZ impuls zapisu może wytworzyć foton Stokesa oraz kolektywne wzbudzenie atomowe, nazywane falą spinową. Późniejszy impuls odczytu zamienia zapisane wzbudzenie w foton anty-Stokesa. Zależność między falą spinową a fotonem jest kluczowa dla heraldowanego przechowywania informacji i pracy pamięci kwantowej w wielu trybach.

Badacze z National Cheng Kung University i National Tsing Hua University opracowali uwzględniającą propagację teorię układu otwartego opisującą ten proces. Połączyli równania Heisenberga–Langevina, które uwzględniają szum kwantowy i dynamikę atomów, z równaniami Maxwella–Schrödingera opisującymi propagację pól optycznych. Model bierze także pod uwagę redystrybucję obsadzeń wywołaną impulsem zapisu, dzięki czemu może opisywać zachowanie zmienne w czasie, a nie tylko wyidealizowany stan stacjonarny.

Model jednocześnie przewiduje profil emisji Stokesa, powstawanie i ewolucję fali spinowej, przebieg czasowy odzyskanego fotonu anty-Stokesa oraz czasowo rozdzielone korelacje krzyżowe między fotonami Stokesa i anty-Stokesa. Daje to możliwość bezpośredniego powiązania kształtu impulsu i efektów propagacji z jakością wytworzonej pary foton–pamięć.

Zasada skalowania potwierdzona w doświadczeniu

Pomiary potwierdziły istotną zasadę działania: prawdziwe skorelowane koincydencje rosną w przybliżeniu liniowo wraz ze średnią liczbą wzbudzeń fali spinowej, podczas gdy koincydencje przypadkowe rosną w przybliżeniu kwadratowo. W efekcie znormalizowana korelacja krzyżowa pary fotonów staje się silniejsza po zmniejszeniu średniej liczby wzbudzeń fali spinowej. W opisanych testach silniejsze korelacje uzyskiwano również przy krótszych impulsach zapisu.

W praktyce oznacza to kompromis między szybkością a jakością. Zwiększenie poziomu wzbudzenia może zapewnić więcej zdarzeń, ale jednocześnie szybciej rośnie prawdopodobieństwo niepożądanych wielokrotnych wzbudzeń i przypadkowych detekcji. Model może pomóc projektantom dobrać długość i intensywność impulsów zapisu oraz odczytu, moment odzyskiwania sygnału i okna detekcji tak, aby zrównoważyć częstość heraldowanych par z poziomem tła.

Ponieważ teoria opisuje również czasowy kształt odzyskanego pola anty-Stokesa, może wspierać dopasowanie trybów czasowych między pamięciami i odległymi węzłami sieci. Wcześniejsze prace oparte na DLCZ pokazały już przechowywanie wielu trybów i selektywny odczyt w różnych układach fizycznych. Kontrola czasowa jest więc ważnym elementem multipleksowania w przyszłych sieciach kwantowych.

Dlaczego te wyniki są ważne razem?

Praca zespołu z Monachium przedstawia strategię sprzętową: jak tworzyć czystsze i łatwiejsze do multipleksowania interfejsy fotoniczne pracujące w paśmie telekomunikacyjnym. Badania z Tajwanu proponują natomiast strategię modelowania i sterowania: jak przewidywać korelacje foton–pamięć i kontrolować ich przebieg w czasie. Nie są to części jednego eksperymentu, a żaden z tych wyników nie jest jeszcze demonstracją kompletnego repeatera kwantowego ani sieci działającej na dużą odległość.

Razem dotyczą jednak dwóch uzupełniających się wymagań. Skalowalne emitery muszą dostarczać fotony w użytecznych kanałach optycznych, a pamięci kwantowe powinny generować i odzyskiwać skorelowane fotony z takim poziomem synchronizacji i szumu, który pozwoli wykorzystać je w protokołach sieciowych. Badanie tajwańskiego zespołu jest dostępne jako preprint w serwisie arXiv, dlatego jego wnioski eksperymentalne należy traktować jako wyniki opublikowane wstępnie — do czasu niezależnej recenzji naukowej.

Szerszy wniosek jest prosty: postęp w budowie sieci kwantowych wymaga projektowania całego interfejsu światło–materia, a nie tylko maksymalizowania liczby emitowanych fotonów. Tłumienie niewłaściwych częstotliwości i przewidywanie właściwych korelacji czasowych może w przyszłości ułatwić multipleksowanie, dostrajanie i integrację węzłów połączonych światłowodami.