Як нові фотонні хвилеводи й теорія DLCZ можуть покращити квантові мережі

Квантовим мережам потрібне не просто джерело світла. Вони мають отримувати фотони з правильною частотою, моментом появи та кореляціями — причому від інтерфейсів, які можна повторити на багатьох вузлах. Два нещодавні результати пропонують рішення для різних частин цієї проблеми. Дослідники Технічного університету Мюнхена (TUM) і Мюнхенського центру квантової науки й технологій (MCQST) змінили фотонне середовище навколо атомів ербію, щоб придушити небажане випромінювання. Інша команда з Національного університету Чен-Кун і Національного університету Цінхуа на Тайвані розробила модель для прогнозування та інженерії кореляцій у джерелах «фотон — квантова пам’ять», що працюють за протоколом Дюана—Лукіна—Чірака—Цоллера (DLCZ).

Підхід Мюнхена: заблокувати зайве випромінювання

Звичайні конструкції на основі оптичних резонаторів зазвичай намагаються посилити обраний оптичний перехід. Мюнхенська команда пішла протилежним шляхом: вона помістила домішки ербію у кремнієвий фотонно-кристалічний хвилевід W1 із налаштованою фотонною забороненою зоною. Така структура пригнічує оптичні моди, пов’язані з небажаними переходами ербію. Мета полягає не лише в тому, щоб прискорити розпад одного потрібного переходу, а в тому, щоб не дозволити конкуруючим радіаційним каналам забирати випромінювання.

У перших експериментах з ербієм частка випромінювання, що припадала на потрібний перехід, зросла приблизно з 23% до 72% — майже утричі. Цього вдалося досягти без вузько налаштованого резонатора з високою добротністю.

Ця відмінність важлива. Резонатор може значно підвищити швидкість розпаду емітера, якщо його резонанс точно узгоджений із частотою випромінювання. Попередні роботи з ербієвими нанофотонними структурами демонстрували суттєве підсилення ефекту Перселла в резонаторних системах. Стратегія хвилеводу натомість зосереджується на придушенні каналів витоку та роботі в ширшій фотонній структурі. У цій роботі також вдалося розрізнити й індивідуально адресувати десятки домішок ербію — ознака того, що протяжна геометрія хвилеводу може краще підходити для мультиплексування, ніж резонатор малого об’єму.

Чим хвилевід відрізняється від вузько налаштованого резонатора?

• Вибір фотонів. Обидва підходи можуть виділяти корисне випромінювання. Хвилевід робить це, блокуючи небажані переходи, а резонатор — вибірково підсилюючи перехід, узгоджений із його резонансом.
• Швидкість генерації. Підсилення в резонаторі може скоротити час життя емітера й підвищити потенційну частоту повторення імпульсів. Метод мюнхенської команди не подається як спосіб прискорення генерації; його перевага — чистіший і контрольованіший розподіл випромінювання, а не примусове пришвидшення.
• Керованість. Робота резонатора значною мірою залежить від точного узгодження частот емітера та резонатора. Натомість налаштована заборонена зона може придушувати небажані канали без необхідності індивідуально підлаштовувати кожен емітер під вузький резонанс.
• Смуга частот. Хвилевід спроєктований для придушення та збирання випромінювання в певному діапазоні, а не лише на одній вузькій резонансній лінії. Це дає змогу розрізняти емітери з різними частотами й обирати придатні вихідні переходи в робочій смузі пристрою.
• Масштабованість. Здатність розрізняти та індивідуально адресувати десятки емітерів разом із протяжним об’ємом моди хвилеводу вказує на потенціал створення просторово розділених і незалежно керованих пристроїв. Водночас це ще не готова архітектура квантової мережі.

Ербій особливо цікавий для такого застосування, оскільки випромінює поблизу телекомунікаційного діапазону. Одиночні іони ербію вже демонстрували випромінювання на довжині хвилі близько 1,5 мкм — сумісній із передаванням сигналів оптоволокном із низькими втратами. Теоретично хвилевідні ербієві інтерфейси можуть забезпечити майбутні волоконно-оптичні квантові мережі багатьма сумісними з телекомунікаціями вузлами або каналами. Нинішній результат, однак, залишається досягненням на рівні окремого компонента, а не демонстрацією далекого квантового зв’язку.

Досягнення Тайваню: моделювання кореляцій у джерелах DLCZ

Друга розробка стосується іншого виклику: як передбачати спільну поведінку джерела фотонів і квантової пам’яті в часі. У раманівському процесі типу DLCZ імпульс запису може створити стоксовий фотон разом із колективним атомним збудженням, відомим як спінова хвиля. Пізніше імпульс зчитування перетворює збережене збудження на антистоксовий фотон. Зв’язок між спіновою хвилею та фотоном є основою герольдованого зберігання й багаторежимної роботи квантової пам’яті.

Дослідники з Національного університету Чен-Кун і Національного університету Цінхуа створили відкритосистемну теорію, яка враховує поширення світла під час цього процесу. Їхня модель поєднує рівняння Гейзенберга—Ланжевена для опису квантового шуму та динаміки атомів із рівняннями Максвелла—Шредінґера, що описують поширення оптичних полів. Вона також враховує перерозподіл населеностей, спричинений імпульсом запису, тому може описувати змінну в часі, а не лише ідеалізовану стаціонарну поведінку.

Модель одночасно прогнозує профіль випромінювання стоксових фотонів, створення та еволюцію спінової хвилі, форму антистоксового імпульсу після зчитування і часові крос-кореляції між стоксовими та антистоксовими фотонами. Це дає змогу безпосередньо пов’язати форму імпульсу та ефекти поширення з якістю сформованої пари «фотон — квантова пам’ять».

Правило масштабування, підтверджене експериментом

Вимірювання підтвердили важливий принцип роботи: кількість справжніх корельованих збігів зростає приблизно лінійно із середньою кількістю спін-хвильових збуджень, тоді як кількість випадкових збігів збільшується приблизно квадратично. Тому нормована крос-кореляція фотонних пар стає сильнішою, коли середнє число спін-хвильових збуджень зменшується. У проведених тестах коротші імпульси запису також посилювали кореляції.

Практичний наслідок — компроміс між швидкістю та якістю. Вищий рівень збудження може створювати більше подій, але водночас швидше підвищує ймовірність небажаних множинних збуджень і випадкових спрацьовувань. Модель допомагає конструкторам обирати тривалість та інтенсивність імпульсів запису й зчитування, момент вилучення сигналу та часові вікна детектування, щоб збалансувати частоту герольдованих пар із фоновим шумом.

Оскільки теорія також описує часову форму відновленого антистоксового поля, вона може підтримати узгодження часових мод між пам’яттю та віддаленими вузлами мережі. Попередні роботи на основі DLCZ уже демонстрували багаторежимне зберігання та вибіркове зчитування в різних фізичних системах, тож контроль часу є важливою складовою мультиплексованих квантових мереж.

Чому ці результати важливі разом

Мюнхенська робота пропонує апаратну стратегію для створення чистіших і придатніших до мультиплексування фотонних інтерфейсів у телекомунікаційному діапазоні. Тайванська — теоретичну та керувальну стратегію, яка робить фотонно-мембранні кореляції передбачуванішими в часі. Це не частини одного експерименту, і жодна з робіт окремо не демонструє повноцінного квантового повторювача чи далекої квантової мережі.

Разом вони, однак, стосуються взаємодоповнювальних вимог: масштабовані емітери мають передавати фотони придатними оптичними каналами, а квантові пам’яті — створювати й відновлювати корельовані фотони з такими часовими та шумовими характеристиками, які можуть використовувати мережеві протоколи. Тайванське дослідження опубліковане як препринт на arXiv, тому його експериментальні висновки слід вважати попередніми до незалежного рецензування.

Ширший висновок полягає в тому, що розвиток квантових мереж залежить від проєктування всього інтерфейсу «світло — матерія», а не лише від максимізації кількості фотонів. Придушення неправильних частот і точне прогнозування потрібних часових кореляцій можуть зробити майбутні вузли, з’єднані оптоволокном, простішими для мультиплексування, налаштування та інтеграції.