Як учені навчилися отримувати чистіші одиночні фотони для квантових мереж

Квантові мережі потребують джерел, які випускають по одному фотону з потрібними характеристиками, а також квантових пам’ятей, здатних зберігати й відтворювати ці фотони без зайвих шумів. Дві нові роботи вирішують ці взаємопов’язані, але різні проблеми: команда з Мюнхена зробила однофотонний інтерфейс масштабованішим, а дослідники з Тайваню розробили спосіб точніше прогнозувати й налаштовувати кореляції між фотонами та пам’яттю.

Мюнхенський підхід: придушити небажане світло

Дослідники з Технічного університету Мюнхена (TUM) і Мюнхенського центру квантової науки й технологій (MCQST) помістили домішки ербію у кремнієві фотонно-кристалічні хвилеводи W1 мікрометрового масштабу. Особлива структура хвилеводу створює фотонну заборонену зону — діапазон частот, у якому світло не може ефективно поширюватися.

Завдяки цьому система пригнічує локальну оптичну густину станів для небажаних переходів ербію. Іншими словами, випромінювання, яке зазвичай розсіювалося б у конкуруючі канали, спрямовується до потрібного переходу. Це відрізняється від традиційного підходу з ефектом Парселла, коли резонатор вибірково прискорює один бажаний канал.

У першому експерименті частка радіативного випромінювання на потрібному переході зросла приблизно з 23% до 72%. Це означає майже триразове підвищення спектральної чистоти або ефективності розгалуження без використання високодобротної порожнини, яку потрібно дуже точно узгоджувати з частотою випромінювача.

Чим хвилевід відрізняється від вузького резонатора

• Чистота фотонів. Обидва підходи можуть підвищувати частку корисних фотонів, але хвилевід робить це через придушення каналів витоку, а не через різке прискорення випромінювання в одному каналі.
• Швидкість і контроль. Резонатори з підсиленням Парселла можуть істотно скорочувати час життя збудження. Це здатне збільшити частоту повторення, але водночас розширює спектр фотонів, ускладнює синхронізацію та контроль і може підвищувати ризик багатофотонних помилок у швидких випромінювачах. Хвилевід зберігає час життя випромінювача або навіть подовжує його, віддаючи перевагу м’якшому контролю замість примусового прискорення.
• Ширина діапазону й налаштування. Високодобротний резонатор ефективно працює у вузькому спектральному діапазоні та потребує точного узгодження між випромінювачем і резонатором. Фотонно-кристалічний хвилевід забезпечує збирання світла й придушення небажаних переходів у ширшому діапазоні. Це дає змогу розрізняти та адресно контролювати випромінювачі з різними оптичними частотами.
• Масштабування. Розширений модовий об’єм хвилеводу дає змогу працювати з нижчою концентрацією домішок і не обмежує мультиплексування малим об’ємом, характерним для високодобротних резонаторів. Автори повідомляють, що змогли розрізнити й індивідуально адресувати десятки домішок ербію.

Ербій випромінює поблизу телекомунікаційного діапазону, де оптичні волокна мають низькі втрати. Тому такий інтерфейс потенційно може стати основою для багатьох індивідуально керованих вузлів і каналів у волоконно-оптичних квантових мережах. Однак це перспективне застосування, а не демонстрація вже створеної мережі великої дальності.

Тайванська робота: модель для керування кореляціями

Дослідники Національного університету Ченг-Кунга та Національного університету Цінхуа розробили теоретичний опис джерел фотонів на основі раманівської схеми DLCZ. Назва DLCZ походить від прізвищ Дуаня, Лукіна, Сірака та Цоллера — авторів протоколу, який поєднує фотонні пари з квантовою пам’яттю на колективних спінових збудженнях атомів.

Нова модель враховує поширення світла та відкритість квантової системи. Вона поєднує формалізм Гейзенберга—Ланжевена для опису квантового шуму й атомної динаміки з рівняннями Максвелла—Шредінґера для поширення оптичних полів. Також модель бере до уваги перерозподіл населеності атомних рівнів під дією імпульсу запису.

У результаті можна одночасно прогнозувати:

• часовий профіль стоксового випромінювання;
• створення та еволюцію колективної спінової хвилі;
• часову форму відновленого антистоксового фотона;
• часові перехресні кореляції між стоксовим і антистоксовим фотонами в реалістичних умовах.

Ключова закономірність, підтверджена експериментально, полягає в різній залежності корисних і випадкових збігів від середнього числа збуджень спінової хвилі. Справжні корельовані збіги зростають приблизно лінійно, тоді як випадкові — швидше, приблизно квадратично. Тому нормована кореляція фотонної пари стає сильнішою, коли середнє число спінових збуджень зменшується. У проведених тестах коротші імпульси запису посилювали кореляції.

Це дає змогу кількісно підбирати тривалість та інтенсивність імпульсів запису й зчитування, момент зчитування та часові вікна детектування. Мета — отримати якомога вищу швидкість генерації корисних фотонних пар, одночасно обмеживши багатозбуджувальні та випадкові фонові події. Керування процесом зчитування також може «вирізати» потрібну частину антистоксового хвильового пакета, полегшуючи узгодження часових мод між пам’яттю та віддаленими вузлами мережі.

Що це означає для квантового зв’язку

Мюнхенський результат — це насамперед підхід до матеріалів і фотонного інтерфейсу: він змінює оптичне оточення випромінювача, щоб зменшити небажане випромінювання. Тайванська робота — інструмент для моделювання та керування джерелом фотонів і квантовою пам’яттю. Разом вони вказують на шлях до мультиплексованих інтерфейсів у телекомунікаційному діапазоні, де можна окремо керувати багатьма випромінювачами, а також налаштовувати часові моди й кореляції фотонів для квантових повторювачів.

Водночас дослідження DLCZ опубліковане як препринт на arXiv. Тому його експериментальні висновки слід вважати попередніми до проходження незалежного рецензування.