Одиночные фотоны без узкополосного резонатора: новый подход Мюнхенской команды

Эрбий особенно интересен для квантовых сетей, поскольку он излучает в телекоммуникационном диапазоне, где оптические волокна обладают низкими потерями. Поэтому такие интерфейсы могут стать основой для множества индивидуально управляемых узлов и каналов связи по волокну. Пока речь идет о перспективном применении, а не о демонстрации действующей дальней квантовой сети.

Зачем здесь нужна работа с квантовой памятью

Параллельное исследование ученых из Национального университета Чэн-Кун и Национального университета Цинхуа на Тайване посвящено другой части той же задачи — управлению корреляциями между фотоном и квантовой памятью в источниках на основе протокола DLCZ, названного по первым буквам фамилий Дуаня, Лукина, Чирака и Цоллера.

Авторы разработали теорию открытой системы с учетом распространения света. Она объединяет формализм Гейзенберга — Ланжевена для квантового шума и динамики атомов с уравнениями Максвелла — Шрёдингера для распространения оптических полей. При этом модель учитывает перераспределение населенности атомов, вызванное записывающим импульсом.

С помощью этой схемы можно одновременно рассчитывать:

• зависимость испускания стоксовского фотона от времени;
• возникновение и эволюцию коллективной спиновой волны;
• временную форму извлеченного антистоксовского фотона;
• временные перекрестные корреляции между стоксовскими и антистоксовскими фотонами в реалистичных условиях.

Ключевой результат состоит в различии между полезными и случайными совпадениями. Число настоящих коррелированных событий примерно линейно растет со средним числом возбуждений спиновой волны, тогда как случайные совпадения увеличиваются быстрее — приблизительно квадратично. Поэтому нормированная корреляция фотонной пары становится сильнее при уменьшении среднего числа возбуждений. В описанных экспериментах ее также усиливали более короткие записывающие импульсы.

Такая модель дает практический инструмент для выбора длительности и интенсивности импульсов записи и считывания, времени извлечения сигнала и временных окон детектирования. Это позволяет искать баланс между скоростью получения зарегистрированных пар и подавлением многократных возбуждений и случайного фона. Управление процессом считывания может также использоваться для временного «нарезания» антистоксовского волнового пакета и его согласования с другими квантовыми памятьми и удаленными узлами сети.

Два разных шага к одной квантовой сети

Мюнхенская работа — это прежде всего инженерия материала и фотонного интерфейса: она меняет окружение излучателя так, чтобы нужный одиночный фотон выделялся среди нежелательных каналов. Тайваньская работа — теоретическая и экспериментальная основа для управления источником и квантовой памятью: она показывает, как заранее рассчитывать временную форму и корреляции фотонных пар.

Вместе эти результаты указывают на путь к мультиплексным телекоммуникационным интерфейсам, в которых можно одновременно масштабировать число излучателей и подстраивать временные характеристики фотонов под квантовые повторители. При этом исследование DLCZ представлено как препринт arXiv, поэтому его экспериментальные выводы следует считать предварительными до прохождения независимого рецензирования.