จากการลดแสงรบกวนสู่การออกแบบโฟตอนสำหรับการสื่อสารควอนตัม

เครือข่ายควอนตัมต้องพึ่งพาโฟตอนที่มีคุณภาพสูงและหน่วยความจำที่สามารถรับ จัดเก็บ และส่งต่อสถานะควอนตัมได้ งานวิจัยสองชิ้นล่าสุดกำลังแก้ปัญหาคนละด้านของโจทย์นี้ โดยทีมจากเยอรมนีมุ่งทำให้แหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยวในวัสดุของแข็งขยายระบบได้ง่ายขึ้น ส่วนทีมจากไต้หวันพัฒนาแบบจำลองเพื่อควบคุมความสัมพันธ์ระหว่างโฟตอนกับหน่วยความจำในระบบ DLCZ

มิวนิก: ลด “แสงที่ไม่ใช่” แทนการเร่งแสงที่ต้องการ

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคนิคมิวนิก (TUM) และ Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST) ฝังอะตอมเจือเออร์เบียมไว้ในท่อนำคลื่นโฟโตนิกคริสตัลซิลิคอนแบบ W1 ซึ่งมีขนาดระดับไมโครเมตร โครงสร้างนี้สร้างแถบพลังงานโฟโตนิกที่ช่วยลดความหนาแน่นสถานะทางแสงเฉพาะบริเวณสำหรับทรานซิชันของเออร์เบียมที่ไม่ต้องการ

เมื่อช่องทางเหล่านั้นถูกกด การปล่อยแสงที่เดิมอาจกระจายไปยังช่องทางอื่นจึงถูกเบนไปสู่ทรานซิชันเป้าหมายมากขึ้น วิธีนี้แตกต่างจากการใช้โพรงเรโซแนนซ์เพื่อเร่งการปล่อยแสงในช่องทางเดียวด้วยเอฟเฟกต์ Purcell

ในการทดลองเบื้องต้น สัดส่วนการปล่อยรังสีที่อยู่ในทรานซิชันเป้าหมายเพิ่มจากประมาณ 23% เป็นประมาณ 72% หรือดีขึ้นราวสามเท่าในแง่ความบริสุทธิ์ทางสเปกตรัมและประสิทธิภาพการแบ่งช่องทาง โดยไม่จำเป็นต้องใช้โพรงที่มีค่า Q สูงและต้องจับคู่ความถี่อย่างแม่นยำ

ต่างจากโพรงเรโซแนนซ์อย่างไร

• ความบริสุทธิ์ของโฟตอน: ทั้งสองแนวทางช่วยเพิ่มสัดส่วนโฟตอนที่ใช้งานได้ แต่วิธีของท่อนำคลื่นทำโดยกดช่องทางรั่วไหล ไม่ใช่ทำให้ช่องทางหนึ่งปล่อยแสงเร็วขึ้นมากเป็นพิเศษ
• ความเร็วและการควบคุม: โพรงแบบ Purcell สามารถลดอายุการปล่อยแสงได้มาก ซึ่งอาจเพิ่มอัตราการทำซ้ำ แต่ก็อาจทำให้โฟตอนมีแบนด์วิดท์กว้างขึ้น ควบคุมจังหวะเวลาได้ยากขึ้น และเพิ่มความเสี่ยงของข้อผิดพลาดจากโฟตอนหลายตัวในตัวปล่อยที่ทำงานเร็ว ท่อนำคลื่นนี้ยังคงอายุการปล่อยแสงเดิมไว้ หรืออาจทำให้นานขึ้น จึงแลกความเร็วที่เพิ่มขึ้นกับการควบคุมที่นุ่มนวลกว่า
• แบนด์วิดท์และการปรับความถี่: โพรงค่า Q สูงทำงานได้ดีในช่วงความถี่แคบและต้องปรับความถี่ของตัวปล่อยกับโพรงให้ใกล้กันมาก ขณะที่ท่อนำคลื่นที่มีแถบพลังงานช่วยทั้งการรวบรวมแสงและการกดช่องทางที่ไม่ต้องการในช่วงความถี่กว้างกว่า ทำให้สามารถแยกและควบคุมตัวปล่อยที่มีความถี่ต่างกันได้เป็นรายตัว
• การขยายระบบ: โหมดแสงที่กระจายอยู่ในปริมาตรยาวของท่อนำคลื่นช่วยให้ใช้ความเข้มข้นของสารเจือที่ต่ำกว่า และหลีกเลี่ยงข้อจำกัดของโพรงขนาดเล็กที่มีค่า Q สูง นักวิจัยรายงานว่าสามารถแยกและควบคุมอะตอมเจือเออร์เบียมได้หลายสิบตัวเป็นรายตัว

เออร์เบียมปล่อยแสงใกล้ย่านโทรคมนาคม ซึ่งเป็นย่านที่ใช้ในใยแก้วนำแสงและมีการสูญเสียต่ำ ดังนั้น อินเทอร์เฟซสปิน–โฟตอนที่ทำงานได้กว้างและรองรับการมัลติเพล็กซ์อาจเป็นพื้นฐานของโหนดหรือช่องสัญญาณจำนวนมากสำหรับลิงก์ควอนตัมผ่านใยแก้วในอนาคต อย่างไรก็ตาม การประยุกต์ดังกล่าวยังเป็นเป้าหมายที่คาดหวัง ไม่ใช่การสาธิตเครือข่ายระยะไกลแล้ว

ไต้หวัน: แบบจำลองใหม่สำหรับความสัมพันธ์ในแหล่งกำเนิดโฟตอนแบบ DLCZ

นักวิจัยจาก National Cheng Kung University และ National Tsing Hua University พัฒนาทฤษฎีสำหรับแหล่งกำเนิดโฟตอนแบบรามานตามโพรโทคอล DLCZ (Duan–Lukin–Cirac–Zoller) โดยรวมผลของการแพร่ของแสงและลักษณะระบบเปิดเข้าไว้ในกรอบเดียวกัน

แบบจำลองนี้ผสานการวิเคราะห์สัญญาณรบกวนควอนตัมและพลวัตของอะตอมแบบ Heisenberg–Langevin เข้ากับการคำนวณการแพร่ของสนามแสงแบบ Maxwell–Schrödinger พร้อมคำนึงถึงการกระจายตัวของประชากรอะตอมที่เกิดจากพัลส์เขียน (write pulse)

กรอบทฤษฎีดังกล่าวสามารถทำนายร่วมกันได้ทั้งการปล่อยโฟตอน Stokes ตามเวลา การสร้างและวิวัฒน์ของสปินเวฟแบบรวมหมู่ รูปคลื่นตามเวลาของโฟตอน anti-Stokes ที่อ่านกลับออกมา และสหสัมพันธ์ระหว่างโฟตอน Stokes กับ anti-Stokes ภายใต้เงื่อนไขที่ใกล้เคียงการทดลองจริง

ผลสำคัญที่ยืนยันด้วยการทดลองคือ เหตุการณ์ตรวจพบโฟตอนคู่ที่มีความสัมพันธ์กันจริงเพิ่มขึ้นโดยประมาณตามจำนวนการกระตุ้นสปินเวฟเฉลี่ยแบบเชิงเส้น ขณะที่เหตุการณ์บังเอิญเพิ่มเร็วกว่าและมีแนวโน้มเป็นกำลังสอง ดังนั้น สหสัมพันธ์โฟตอนคู่ที่ทำให้เป็นมาตรฐานแล้วจะแข็งแรงขึ้นเมื่อจำนวนการกระตุ้นสปินเวฟเฉลี่ยลดลง โดยการใช้พัลส์เขียนที่สั้นลงช่วยเพิ่มสหสัมพันธ์ในการทดสอบที่รายงาน

ข้อค้นพบนี้ช่วยให้นักออกแบบระบบเลือกความยาวและความเข้มของพัลส์เขียน/อ่าน จังหวะการดึงโฟตอนกลับ และช่วงเวลาที่ใช้คัดกรองสัญญาณได้อย่างมีปริมาณรองรับ เป้าหมายคือเพิ่มอัตราคู่โฟตอนที่มีการ herald ขณะจำกัดพื้นหลังจากการกระตุ้นหลายครั้งหรือเหตุการณ์บังเอิญ นอกจากนี้ การควบคุมการอ่านกลับแบบคลาสสิกยังช่วยเปิด–ปิดหรือแบ่งช่วงของแพ็กเก็ตคลื่น anti-Stokes เพื่อให้โหมดเวลาของโฟตอนตรงกันระหว่างหน่วยความจำและโหนดเครือข่ายที่อยู่ห่างกัน

โดยสรุป งานจากมิวนิกเป็นกลยุทธ์ด้านวัสดุและอินเทอร์เฟซโฟตอนที่มุ่งกำจัดการปล่อยแสงผิดช่องทาง ส่วนงานจากไต้หวันเป็นทฤษฎีควบคุมแหล่งกำเนิดและหน่วยความจำที่มุ่งออกแบบสหสัมพันธ์ตามเวลา เมื่อนำมาพิจารณาร่วมกัน ทั้งสองแนวทางชี้ไปสู่ระบบอินเทอร์เฟซที่รองรับหลายช่องสัญญาณ ทำงานร่วมกับย่านโทรคมนาคม และสามารถปรับรูปแบบเวลาและสหสัมพันธ์ของโฟตอนให้เหมาะกับควอนตัมรีพีตเตอร์ได้

ทั้งนี้ งานศึกษา DLCZ ของทีมไต้หวันเผยแพร่ในรูปแบบต้นฉบับก่อนการประเมินโดยผู้ทรงคุณวุฒิบน arXiv ดังนั้น ข้ออ้างด้านการทดลองควรถือเป็นผลก่อนตีพิมพ์จนกว่าจะผ่านการทบทวนโดยผู้เชี่ยวชาญอย่างเป็นอิสระ