Как фотонные волноводы и теория DLCZ могут изменить квантовые сети

Квантовой сети недостаточно просто источника света. Ей нужны фотоны с подходящими частотой, временем прихода и корреляциями, а также интерфейсы, которые можно воспроизводить во множестве узлов. Два недавних результата решают разные стороны этой задачи. Исследователи из Технического университета Мюнхена (TUM) и Мюнхенского центра квантовой науки и технологий (MCQST) изменили фотонное окружение атомов эрбия, чтобы подавить нежелательное излучение. Отдельная команда из Национального университета Чэнгун и Национального университета Цинхуа разработала модель для прогнозирования и настройки корреляций в источниках «фотон — квантовая память» на основе протокола Дуаня — Лукина — Чирака — Цоллера (DLCZ).

Подход Мюнхена: не усиливать нужное, а блокировать лишнее

В обычных схемах с оптическим резонатором обычно стараются усилить выбранный переход. Мюнхенская команда пошла противоположным путём: она поместила примеси эрбия в кремниевый фотонно-кристаллический волновод W1 со специально спроектированной фотонной запрещённой зоной. Такая структура подавляет оптические моды, связанные с нежелательными переходами эрбия. Цель состояла не только в том, чтобы ускорить распад одного уровня, а в том, чтобы не дать конкурирующим каналам унести излучение.

В первых экспериментах с эрбием доля радиативного излучения на нужном переходе выросла примерно с 23% до 72% — почти втрое. При этом исследователям не потребовался узкополосный резонатор с высоким фактором качества, настроенный на конкретную частоту.

Это важное отличие от резонаторного подхода. Резонатор способен значительно увеличить скорость распада излучателя, если его резонанс точно совпадает с частотой перехода; более ранние эксперименты с эрбием в нанофотонных структурах демонстрировали сильное усиление Пёрселла. Волноводная стратегия делает акцент на подавлении каналов утечки и работе в более широком фотонном диапазоне. Кроме того, в описанной работе удалось спектрально различить и адресовать по отдельности десятки примесей эрбия. Это показывает, почему протяжённая геометрия волновода может оказаться удобнее небольшого резонатора для мультиплексирования.

Чем волновод отличается от узкополосного резонатора?

• Отбор фотонов. Оба подхода способны выделять полезное излучение. Волновод делает это, подавляя нежелательные переходы, тогда как резонатор преимущественно усиливает переход, совпадающий с его резонансом.
• Скорость генерации. Резонаторное усиление может сократить время жизни излучателя и повысить потенциальную частоту повторения импульсов. Метод Мюнхена не заявлен как способ ускорить излучение: его преимущество — в более чистом и управляемом распределении по каналам, а не в принудительном ускорении.
• Управляемость. Работа резонатора сильно зависит от совпадения частот излучателя и резонатора. Специально сформированная запрещённая зона позволяет подавлять лишние каналы без необходимости индивидуально подстраивать каждый излучатель под узкий резонанс.
• Полоса частот. Волновод рассчитан на подавление и сбор излучения в некотором диапазоне частот, а не только на одной узкой резонансной линии. Это облегчает работу с излучателями, имеющими разные частоты, и выбор пригодных выходных переходов внутри рабочего диапазона устройства.
• Масштабирование. Возможность различать и адресовать десятки излучателей, а также протяжённый объём моды волновода указывают на потенциал создания пространственно разнесённых и индивидуально управляемых устройств. Однако это пока свидетельство перспективности, а не готовая архитектура квантовой сети.

Эрбий особенно интересен для такой задачи, поскольку излучает вблизи телекоммуникационного диапазона. Для одиночных ионов эрбия уже демонстрировалось излучение на длине волны около 1,5 микрометра — в диапазоне, совместимом с передачей по оптоволокну с низкими потерями. В перспективе волноводные интерфейсы на основе эрбия могут обеспечить несколько телекоммуникационных узлов или каналов для квантовых линий связи по волокну. Но нынешний результат остаётся достижением на уровне отдельного компонента, а не демонстрацией дальней квантовой связи.

Достижение тайваньской команды: модель корреляций в протоколе DLCZ

Вторая разработка касается другой проблемы: как предсказать совместную работу источника фотонов и квантовой памяти во времени. В рамановском процессе типа DLCZ записывающий импульс может создать стоксов фотон одновременно с коллективным возбуждением атомов — так называемой спиновой волной. Позднее считывающий импульс преобразует сохранённое возбуждение в антистоксов фотон. Связь между спиновой волной и фотоном лежит в основе условного хранения и многомодовой работы квантовых памяти.

Исследователи из Национального университета Чэнгун и Национального университета Цинхуа создали учитывающую распространение света теорию открытой системы для этого процесса. В ней объединены уравнения Гейзенберга — Ланжевена, описывающие квантовый шум и динамику атомов, и уравнения Максвелла — Шрёдингера, описывающие распространение оптических полей. Модель также учитывает перераспределение населённостей, вызванное записывающим импульсом, поэтому описывает зависящее от времени поведение, а не только идеализированное стационарное состояние.

Теория одновременно предсказывает профиль стоксовского излучения, возникновение и эволюцию спиновой волны, временную форму восстановленного антистоксова фотона и зависящие от времени взаимные корреляции стоксовых и антистоксовых фотонов. Это позволяет напрямую связывать форму импульса и эффекты распространения с качеством создаваемой пары «фотон — память».

Проверенное экспериментом правило масштабирования

Измерения подтвердили важный принцип работы: число истинных коррелированных совпадений растёт примерно линейно со средним числом возбуждений спиновой волны, тогда как число случайных совпадений увеличивается примерно квадратично. Поэтому нормированная взаимная корреляция фотонной пары становится сильнее при уменьшении среднего числа возбуждений. В проведённых тестах более короткие записывающие импульсы также давали более сильные корреляции.

Практический вывод — компромисс между скоростью и качеством. Увеличение уровня возбуждения может дать больше событий, но одновременно вероятность лишних многократных возбуждений и случайных срабатываний растёт быстрее. Модель помогает подобрать длительность и интенсивность записывающих и считывающих импульсов, момент извлечения сигнала и временные окна детектирования, чтобы сбалансировать частоту условно подготовленных пар и фоновый шум.

Поскольку теория описывает и временную форму восстановленного антистоксова поля, она может помочь согласовывать временные моды разных квантовых памяти и удалённых сетевых узлов. В предыдущих работах на основе DLCZ уже демонстрировались многомодовое хранение и выборочное считывание в различных физических системах, поэтому управление временем сигнала становится важной частью мультиплексированных квантовых сетей.

Почему эти результаты важны вместе

Мюнхенская работа предлагает аппаратную стратегию для создания более чистых и пригодных к мультиплексированию фотонных интерфейсов на телекоммуникационных длинах волн. Тайваньская разработка — это инструмент моделирования и управления, который делает корреляции между фотоном и памятью более предсказуемыми во времени. Эти исследования не являются частями одного эксперимента, и ни одно из них по отдельности не демонстрирует полноценный квантовый повторитель или дальнюю квантовую сеть.

Вместе они, однако, затрагивают взаимодополняющие требования. Масштабируемые излучатели должны выдавать фотоны в пригодных для передачи оптических каналах, а квантовые памяти — создавать и восстанавливать коррелированные фотоны с такими временными и шумовыми характеристиками, которые можно использовать в сетевых протоколах. Тайваньская работа опубликована как препринт на arXiv, поэтому её экспериментальные выводы следует считать предварительными до независимой рецензии.

Главный вывод шире, чем отдельные показатели: развитие квантовых сетей требует инженерии всего интерфейса «свет — вещество», а не только максимизации числа фотонов. Подавление неправильных частот и прогнозирование правильных временных корреляций могут упростить мультиплексирование, настройку и интеграцию будущих узлов, соединённых оптоволокном.