Forskare i Japan tillkännager rumstemperaturkvantavancemang – högpresterande datornyhetsanalys | inuti HPC

Docent Mark Sadgrove och Mr. Kaito Shimizu från TUS och professor Kae Nemoto från Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University var också en del av denna studie. Denna nyutvecklade enfotonljuskälla eliminerar behovet av dyra kylsystem och har potential att göra kvantnätverk mer kostnadseffektiva och tillgängliga.

Enkelfotonemitters kvantmekaniskt kopplar kvantbitar (eller qubits) mellan noder i kvantnätverk. De tillverkas vanligtvis genom att bädda in sällsynta jordartsmetaller i optiska fibrer vid extremt låga temperaturer. Nu har forskare från Japan, ledda av docent Kaoru Sanaka från Tokyo University of Science, utvecklat en ytterbiumdopad optisk fiber i rumstemperatur. Genom att undvika behovet av dyra kyllösningar erbjuder den föreslagna metoden en kostnadseffektiv plattform för fotoniska kvanttillämpningar.

Kvantbaserade system lovar snabbare beräkning och starkare kryptering för beräknings- och kommunikationssystem. Dessa system kan byggas på fibernätverk som involverar sammankopplade noder som består av qubits och enfotongeneratorer som skapar intrasslade fotonpar.

I detta avseende är sällsynta jordartsmetaller (RE) atomer och joner i fasta material mycket lovande som singelfotongeneratorer. Dessa material är kompatibla med fibernätverk och avger fotoner över ett brett spektrum av våglängder. På grund av deras breda spektralområde kan optiska fibrer dopade med dessa RE-element hitta användning i olika applikationer, såsom telekommunikation i fritt utrymme, fiberbaserad telekommunikation, generering av kvantslumptal och högupplöst bildanalys. Hittills har dock enfotonljuskällor utvecklats med användning av RE-dopade kristallina material vid kryogena temperaturer, vilket begränsar de praktiska tillämpningarna av kvantnätverk baserade på dem.

För att tillverka den ytterbiumdopade optiska fibern avsmalnade forskarna en kommersiellt tillgänglig ytterbiumdopad fiber med hjälp av en värme-och-dragteknik, där en del av fibern värms upp och sedan dras med spänning för att gradvis minska dess diameter.

Inom den avsmalnande fibern sänder enskilda RE-atomer ut fotoner när de exciteras med en laser. Separationen mellan dessa RE-atomer spelar en avgörande roll för att definiera fiberns optiska egenskaper. Till exempel, om den genomsnittliga separationen mellan de individuella RE-atomerna överstiger den optiska diffraktionsgränsen, som bestäms av våglängden för de emitterade fotonerna, verkar det emitterade ljuset från dessa atomer som om det kommer från kluster snarare än distinkta individuella källor.

För att bekräfta arten av dessa emitterade fotoner använde forskarna en analytisk metod som kallas autokorrelation, som bedömer likheten mellan en signal och dess fördröjda version. Genom att analysera det emitterade fotonmönstret med autokorrelation observerade forskarna icke-resonanta emissioner och fick ytterligare bevis på fotonemission från den enda ytterbiumjonen i det dopade filtret.

Medan kvaliteten och kvantiteten av emitterade fotoner kan förbättras ytterligare, kan den utvecklade optiska fibern med ytterbiumatomer tillverkas utan behov av dyra kylsystem. Detta övervinner ett betydande hinder och öppnar dörrar till olika nästa generations kvantinformationsteknologier. "Vi har demonstrerat en billig enfotonljuskälla med valbar våglängd och utan behov av ett kylsystem. I fortsättningen kan det möjliggöra olika nästa generations kvantinformationsteknologier såsom sanna slumptalsgeneratorer, kvantkommunikation, kvantlogikoperationer och högupplöst bildanalys bortom diffraktionsgränsen, avslutar Dr Sanaka.