เมื่อการสร้างเครือข่ายควอนตัมเริ่มจากการ “ปิดกั้นแสงที่ไม่ต้องการ”

ผลลัพธ์นี้มีความสำคัญเพราะโพรงแสงเรโซแนนซ์สามารถเพิ่มอัตราการสลายตัวของตัวปล่อยได้อย่างมากเมื่อความถี่ตรงกันพอดี งานก่อนหน้านี้เกี่ยวกับนาโนโฟโตนิกส์ของเออร์เบียมก็แสดงการเพิ่มอัตราการปล่อยแบบ Purcell ในโครงสร้างโพรงมาแล้ว แต่แนวทางคลื่นนำแสงให้ความสำคัญกับการลดช่องทางรั่วไหล และทำงานครอบคลุมโครงสร้างโฟโตนิกที่กว้างกว่า

งานที่รายงานยังสามารถแยกแยะและควบคุมสารเจือเออร์เบียมเป็นรายตัวได้หลายสิบตัว ซึ่งชี้ให้เห็นว่าเรขาคณิตแบบคลื่นนำแสงที่ทอดยาวอาจเหมาะกับการทำมัลติเพล็กซ์มากกว่าเรโซเนเตอร์ปริมาตรเล็ก

ต่างจากเรโซเนเตอร์ที่จูนแคบอย่างไร

• การคัดเลือกโฟตอน: ทั้งสองแนวทางสามารถทำให้การปล่อยที่ต้องการเด่นขึ้นได้ แต่คลื่นนำแสงทำเช่นนั้นด้วยการยับยั้งการเปลี่ยนผ่านที่ไม่ต้องการ ขณะที่เรโซเนเตอร์จะเพิ่มการปล่อยของการเปลี่ยนผ่านที่ตรงกับเรโซแนนซ์เป็นพิเศษ
• ความเร็วในการสร้างโฟตอน: การเพิ่มการปล่อยแบบ Purcell ในโพรงสามารถลดอายุขัยของตัวปล่อยและเพิ่มอัตราการทำงานซ้ำที่เป็นไปได้ งานของมิวนิกไม่ได้เสนอให้คลื่นนำแสงเป็นกลไกเร่งความเร็ว แต่เน้นการควบคุมสัดส่วนการปล่อยให้สะอาดและคาดการณ์ได้มากขึ้น
• การควบคุม: ประสิทธิภาพของเรโซเนเตอร์ขึ้นอยู่มากกับการจับคู่ความถี่ระหว่างตัวปล่อยกับโพรง ขณะที่แถบช่องว่างที่ออกแบบไว้สามารถกดช่องทางที่ไม่ต้องการได้โดยไม่จำเป็นต้องปรับตัวปล่อยทุกตัวให้ตรงกับเรโซแนนซ์แคบของโพรง
• แบนด์วิดท์: คลื่นนำแสงได้รับการออกแบบให้ยับยั้งและรวบรวมแสงได้ตลอดช่วงความถี่หนึ่ง ไม่ได้จำกัดอยู่ที่เส้นเรโซแนนซ์แคบเพียงเส้นเดียว จึงช่วยให้แยกตัวปล่อยที่มีความถี่ต่างกัน และเลือกการเปลี่ยนผ่านที่นำไปใช้งานได้ภายในย่านปฏิบัติการของอุปกรณ์
• ศักยภาพในการขยายระบบ: ความสามารถในการแยกแยะและควบคุมเออร์เบียมหลายสิบตัว รวมถึงโหมดแสงที่ทอดยาวของคลื่นนำแสง บ่งชี้ถึงศักยภาพในการสร้างอุปกรณ์ที่แยกตำแหน่งและควบคุมเป็นรายตัวได้มากขึ้น อย่างไรก็ตาม นี่ยังเป็นหลักฐานด้านศักยภาพ ไม่ใช่สถาปัตยกรรมเครือข่ายที่เสร็จสมบูรณ์แล้ว

เออร์เบียมมีความน่าสนใจเป็นพิเศษเพราะปล่อยแสงใกล้ย่านโทรคมนาคม ไอออนเออร์เบียมเดี่ยวเคยถูกสาธิตให้ปล่อยโฟตอนที่ความยาวคลื่นราว 1.5 ไมโครเมตร ซึ่งเข้ากันได้กับการส่งผ่านในใยแก้วนำแสงที่มีการสูญเสียต่ำ ในทางหลักการ อินเทอร์เฟซเออร์เบียมที่ใช้คลื่นนำแสงอาจรองรับโหนดหรือช่องสัญญาณที่เข้ากันได้กับระบบโทรคมนาคมหลายชุด สำหรับลิงก์ควอนตัมผ่านใยแก้วในอนาคต แต่ผลลัพธ์ปัจจุบันยังเป็นความก้าวหน้าในระดับชิ้นส่วน ไม่ใช่การสาธิตการสื่อสารควอนตัมระยะไกล

งานจากไต้หวัน: แบบจำลองสหสัมพันธ์ของโฟตอนกับหน่วยความจำตาม DLCZ

งานวิจัยชิ้นที่สองตอบโจทย์อีกด้าน นั่นคือการทำนายว่าแหล่งกำเนิดโฟตอนและหน่วยความจำควอนตัมจะทำงานร่วมกันอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป

ในกระบวนการรามานแบบ DLCZ พัลส์เขียนข้อมูล หรือ write pulse อาจสร้างโฟตอนสโตกส์พร้อมกับการกระตุ้นอะตอมแบบรวมหมู่ที่เรียกว่า “สปินเวฟ” (spin wave) จากนั้นพัลส์อ่านข้อมูล หรือ read pulse จะเปลี่ยนการกระตุ้นที่ถูกเก็บไว้นี้กลับเป็นโฟตอนแอนติสโตกส์ ความสัมพันธ์ระหว่างสปินเวฟกับโฟตอนเป็นหัวใจของการจัดเก็บข้อมูลแบบมีโฟตอนยืนยันเหตุการณ์ และการทำงานของหน่วยความจำควอนตัมหลายโหมด

นักวิจัยจาก National Cheng Kung University และ National Tsing Hua University พัฒนาทฤษฎีระบบเปิดที่คำนึงถึงการแพร่กระจายของแสงสำหรับกระบวนการนี้ กรอบทฤษฎีดังกล่าวผสานสมการ Heisenberg–Langevin ซึ่งใช้อธิบายสัญญาณรบกวนควอนตัมและพลวัตของอะตอม เข้ากับสมการ Maxwell–Schrödinger ซึ่งอธิบายการแพร่กระจายของสนามแสง นอกจากนี้ยังรวมการกระจายตัวของประชากรอะตอมที่เกิดจากพัลส์เขียนข้อมูล ทำให้แบบจำลองอธิบายพฤติกรรมที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาได้ แทนที่จะสมมติให้ระบบอยู่ในสภาวะคงตัวในอุดมคติ

แบบจำลองนี้สามารถทำนายร่วมกันได้ทั้งรูปแบบการปล่อยโฟตอนสโตกส์ การก่อตัวและวิวัฒนาการของสปินเวฟ รูปคลื่นของโฟตอนแอนติสโตกส์ที่ถูกเรียกคืน และสหสัมพันธ์ระหว่างสโตกส์กับแอนติสโตกส์แบบแยกตามเวลา จึงช่วยเชื่อมโยงรูปร่างพัลส์และผลจากการแพร่กระจายของแสงเข้ากับคุณภาพของคู่โฟตอน–หน่วยความจำโดยตรง

กฎการสเกลที่การทดลองตรวจสอบ

การวัดที่รายงานยืนยันหลักการสำคัญของการทำงาน กล่าวคือ เหตุการณ์ตรวจพบโฟตอนคู่ที่มีสหสัมพันธ์จริงเพิ่มขึ้นโดยประมาณแบบเส้นตรงตามจำนวนเฉลี่ยของการกระตุ้นสปินเวฟ ขณะที่เหตุการณ์ตรวจพบโดยบังเอิญเพิ่มขึ้นโดยประมาณแบบกำลังสอง ผลคือค่าสหสัมพันธ์ไขว้ของคู่โฟตอนที่ผ่านการทำให้เป็นมาตรฐานจะสูงขึ้นเมื่อจำนวนการกระตุ้นสปินเวฟเฉลี่ยลดลง การทดสอบยังพบว่าสหสัมพันธ์แข็งแรงขึ้นเมื่อใช้พัลส์เขียนข้อมูลที่สั้นลง

ในทางปฏิบัติ นี่สะท้อนการแลกเปลี่ยนระหว่าง “อัตราการสร้าง” กับ “คุณภาพ” การเพิ่มระดับการกระตุ้นอาจทำให้เกิดเหตุการณ์มากขึ้น แต่ก็เพิ่มโอกาสเกิดการกระตุ้นหลายครั้งที่ไม่ต้องการและการตรวจจับโดยบังเอิญในอัตราที่เร็วยิ่งกว่า แบบจำลองนี้จึงช่วยให้นักออกแบบเลือกความยาวและความเข้มของพัลส์เขียน–อ่าน จังหวะการเรียกคืน และช่วงเวลาการตรวจจับ เพื่อหาจุดสมดุลระหว่างอัตราการสร้างคู่โฟตอนที่มีการยืนยันกับสัญญาณรบกวน

เนื่องจากกรอบทฤษฎียังอธิบายรูปร่างตามเวลาของสนามแอนติสโตกส์ที่ถูกเรียกคืนได้ จึงอาจช่วยจับคู่โหมดเวลาระหว่างหน่วยความจำกับโหนดเครือข่ายระยะไกล งานที่ใช้ DLCZ ก่อนหน้านี้ได้สาธิตการจัดเก็บข้อมูลหลายโหมดและการอ่านข้อมูลแบบเลือกโหมดในระบบทางกายภาพหลายประเภทแล้ว ทำให้การควบคุมเวลาเป็นองค์ประกอบสำคัญของเครือข่ายควอนตัมแบบมัลติเพล็กซ์

เมื่อสองความก้าวหน้ามาบรรจบกัน

งานจากมิวนิกเป็นกลยุทธ์ด้านฮาร์ดแวร์สำหรับสร้างอินเทอร์เฟซโฟตอนเดี่ยวในย่านโทรคมนาคมที่มีแสงรบกวนน้อยและรองรับการทำมัลติเพล็กซ์ได้มากขึ้น ส่วนงานจากไต้หวันเป็นกลยุทธ์ด้านแบบจำลองและการควบคุม เพื่อทำให้สหสัมพันธ์ระหว่างโฟตอนกับหน่วยความจำสามารถคาดการณ์ตามเวลาได้

ทั้งสองงานไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของการทดลองเดียวกัน และไม่มีงานใดงานหนึ่งสาธิตรีพีตเตอร์ควอนตัมหรือเครือข่ายควอนตัมระยะไกลที่สมบูรณ์แล้ว แต่เมื่อพิจารณาร่วมกัน ทั้งสองกำลังตอบข้อกำหนดที่เสริมกัน: ตัวปล่อยที่ขยายระบบได้ต้องส่งโฟตอนผ่านช่องสัญญาณแสงที่ใช้งานได้ ขณะที่หน่วยความจำควอนตัมต้องสร้างและเรียกคืนโฟตอนที่มีสหสัมพันธ์ รวมถึงคุณลักษณะด้านเวลาและสัญญาณรบกวนที่โพรโทคอลเครือข่ายนำไปใช้ได้ งานศึกษาจากไต้หวันเผยแพร่ในรูปแบบต้นฉบับก่อนการพิจารณาโดยผู้ทรงคุณวุฒิบน arXiv ดังนั้นข้อสรุปด้านการทดลองควรถูกมองว่าเป็นผลก่อนตีพิมพ์จนกว่าจะผ่านการตรวจสอบโดยอิสระ

บทเรียนสำคัญในภาพรวมคือ ความก้าวหน้าของเครือข่ายควอนตัมไม่ได้ขึ้นอยู่กับการเพิ่มจำนวนโฟตอนเพียงอย่างเดียว แต่ต้องออกแบบอินเทอร์เฟซระหว่างแสงกับสสารทั้งระบบ การยับยั้งความถี่ที่ไม่ต้องการและการทำนายสหสัมพันธ์ตามเวลาที่ต้องการ อาจทำให้โหนดควอนตัมที่เชื่อมต่อผ่านใยแก้วในอนาคตทำมัลติเพล็กซ์ ปรับจูน และผสานรวมเข้าด้วยกันได้ง่ายขึ้น