Mikrobølgefotoner er viklet ind i optiske fotoner – Physics World

Mikrobølgefotoner er viklet ind i optiske fotoner – Physics World

Tidsstempel: 28. maj 2023 kl. 10

Quantum computing koncept illustration
Fremskridt: denne seneste præstation inden for sammenfiltring kan føre til bedre kvantecomputere. (Med høflighed: iStock/Devrimb)

En protokol til sammenfiltring af mikrobølger og optiske fotoner er blevet demonstreret af forskere i Østrig. Dette har potentialet til at hjælpe med at overvinde et af de centrale problemer i dannelsen af ​​et kvanteinternet ved at tillade mikrobølgefrekvenskredsløb at udveksle kvanteinformation gennem optiske fibre.

Den centrale vision, der ligger til grund for et kvanteinternet - først formuleret tilbage i 2008 af Jeff Kimble af Caltech i USA – er, at netværksforbundne kvanteprocessorer kunne udveksle kvanteinformation, ligesom klassiske computere udveksler klassisk information via internettet. Overførsel af kvanteinformation er dog langt vanskeligere, fordi baggrundsstøj kan ødelægge kvantesuperpositioner i en proces kaldet dekohærens.

Mange af de mest kraftfulde kvantecomputere, der findes, såsom IBMs Osprey, bruger superledende qubits. Disse arbejder ved mikrobølgefrekvenser, hvilket gør dem ekstremt sårbare over for forstyrrelser fra termisk baggrundsstråling - og forklarer, hvorfor de skal opbevares ved kryogene temperaturer. Det gør også overførsel af information mellem superledende qubits ekstremt vanskelig. "[En måde] er at bygge ultrakolde links," forklarer Johannes Fink af Institut for Videnskab og Teknologi Østrig i Klosterneuburg. "Rekorden var bare offentliggjort i Natur [ved Andreas Wallraffs gruppe ved ETH Zürich i Schweiz og kolleger]: 30 m ved 10–50 mK – det har nogle udfordringer med at skalere op.” Derimod, siger han, "fungerer fiberoptik rigtig godt til kommunikation - vi bruger det hele tiden, når vi surfer på internettet".

Kvantetransduktion

Et skema, hvorved kvanteinformation kunne overføres mellem mikrobølge-qubits ved at sende fotoner ned i optiske fibre, ville derfor være ekstremt værdifuldt. Den mest direkte tilgang er kvantetransduktion, hvor en mikrobølgefoton ved interaktion med en tredje foton opkonverteres til en optisk foton, der kan sendes langs fibre.

Desværre introducerer praktiske implementeringer af denne proces også både tab og støj: "Du sender ti fotoner, og måske bliver kun én af dem konverteret ... og måske tilføjer din enhed nogle ekstra fotoner, fordi den var varm eller af en anden grund," siger Finks ph.d. studerende Rishabh Sahu, der er fælles førsteforfatter på et papir, der beskriver denne seneste forskning. "Begge disse bringer transduktionens troskab ned."

En alternativ måde at overføre kvanteinformation på kaldes kvanteteleportation og blev første gang demonstreret eksperimentelt i 1997 af Anton Zeilingers gruppe ved universitetet i Innsbruck – som Zeilinger delte 2022 Nobelprisen i fysik. Når en qubit interagerer med en foton i et sammenfiltret par, bliver dens egen kvantetilstand viklet ind med den anden foton.

Entanglement swap

Et kvantenetværk kunne produceres under omgivende forhold, hvis denne anden foton kunne rejse ned ad en optisk fiber med lavt tab for at interagere med en identisk forberedt transmissionsfoton fra en anden netværksknude gennem en såkaldt Bell-tilstandsmåling. Dette ville udføre et "entanglement swap" mellem de fjerntliggende superledende qubits.

Sammenfiltrede fotonpar genereres af en proces kaldet spontan parametrisk nedkonvertering, hvorved en foton opdeles i en to. Men ingen havde tidligere formået at generere et sammenfiltret par fotoner, hvis energi afveg med en faktor på mere end 10,000. Denne forskel omfatter en foton ved en optisk telekommunikationsbølgelængde på omkring 1550 nm; og en anden ved en mikrobølgelængde på ca. 3 cm.

Finks gruppe pumpede en optisk lithiumniobatresonator, der var en del af en mikrobølgeresonator med en højeffektlaser ved telekommunikationsbølgelængder. Langt størstedelen af ​​laserlyset kom simpelthen tilbage fra resonatoren uændret og blev filtreret fra. Imidlertid delte cirka en foton pr. puls sig i to sammenfiltrede fotoner - en mikrobølge og den anden med en bølgelængde, der kun er lidt længere end pumpens fotoner.

"Vi verificerede denne sammenfiltring ved at måle kovarianserne af de to elektromagnetiske feltsvingninger. Vi fandt mikrobølgeoptiske korrelationer, der er stærkere end klassisk tilladt, hvilket betyder, at de to felter er i en sammenfiltret tilstand." siger Liu Qiu, en postdoc-forsker og fælles førsteforfatter på papiret, der beskriver arbejdet. Forskerne håber nu at udvide denne sammenfiltring til qubits og stuetemperaturfibre, implementere kvanteteleportering og sammenfiltring af qubits i separate fortyndingskøleskabe.

Alexandre Blais fra Université de Sherbrooke i Canada samarbejdede om Wallraff's Natur papir, og han er imponeret over Fink og kollegas arbejde, ”Normalt taler optik og mikrobølger ikke sammen. Optik er virkelig højenergi og har en tendens til at ødelægge kvantekohærensegenskaberne for dine mikrobølgekredsløb. Nu har [forskerne] stående fotoner: Hvis jeg vil overføre den information til et andet køleskab, skal jeg overføre den information til en flyvende foton i en optisk fiber, og der vil være tab der. Og den foton skal så rejse ned ad den fiber, ind i det andet køleskab og lave noget magi... Vi skal ikke tro, at det gør alting nemt nu – det er kun begyndelsen, men det tager ikke væk fra kvaliteten af ​​eksperimentet. ”

Forskningen er beskrevet i Videnskab.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden