En sällsynt jordartsatom kan göra en kvantrepeater vid telekomvåglängder – Physics World

En sällsynt jordartsatom kan göra en kvantrepeater vid telekomvåglängder – Physics World

Tidsstämpel: 13 september, 2023 3:24

Bild av erbiumanordningen, som är ett grått chip som innehåller ett rutnät av hål och två bandliknande kanaler
Telekomkompatibel: En bild av enheten som användes i experimentet. (Med tillstånd: Lukasz Dusanowski)

Forskare vid Princeton University i USA har tagit ett viktigt steg mot att förverkliga skalbara kvantnätverk tack vare ett sällsynt jordartselement: erbium. Erbium är bra på att sända ut och absorbera fotoner vid våglängder som används inom telekommunikationsindustrin, vilket är en fördel eftersom dessa fotoner kan resa långa sträckor med liten dämpning i vanliga optiska fibrer. Att utnyttja denna styrka i kvantvärlden har varit en utmaning, men Princeton-teamet lyckades få en erbiumbaserad enhet att sända ut identiska fotoner – en förutsättning för kvantrepeaters att dela kvantinformation över stora avstånd.

"Erbiumdopade fibrer används som klassiska repeatrar för att göra klassiska fiberförstärkare för alla typer av optiska kommunikationslänkar, som långdistansundervattenskablar", säger Jeff Thompson, professor i el- och datorteknik vid Princeton och huvudutredare om arbetet. "Så för mig var det väldigt naturligt att försöka komma på en kvantversion av det."

Fördelaktigt, men knepigt att arbeta med

Fotoner kan vara naturliga informationsbärare, men de är svåra att hänga på och interagerar sällan med varandra. Det betyder att om en foton går förlorad eller informationen som kodas i den försämras, kan andra fotoner inte komma till undsättning. Istället måste kvantinformation lagras i något slags minne – i det här fallet en atom. "En kvantrepeater är egentligen bara ett sätt att kartlägga kvantinformation fram och tillbaka mellan ljus och atomer", förklarar Elizabeth Goldschmidt, en professor i kvantoptik vid University of Illinois-Urbana Champaign, USA som inte var involverad i arbetet.

I repeaterbaserade kvantnätverk är tanken att etablera intrassling mellan två avlägsna punkter genom att dela upp det avståndet i bitar. Sättet detta fungerar är att en kvantrepeater i ena änden av långdistanskanalen sänder ut en foton, och i processen blir den intrasslad med den. En annan repeater en bit ner i kanalen avger också en foton i riktning mot den första. När de två fotonerna möts mäts de på ett sätt som trasslar in dem. Så länge fotonerna förblir intrasslade med sina respektive sändare, blir även emittnarna intrasslade. Genom att fortsätta denna process nedåt i kedjan kommer så småningom de två sändarna vid motsatta ändar av kanalen att trassla in sig. Sedan kan de användas som delade nycklar i ett kvantnyckeldistributionsschema, eller så kan de dela lite kvantinformation via ett kvantteleporteringsprotokoll.

Säg efter mig

Andra kvantrepeaterteknologier har utvecklats med hjälp av olika atomer eller defekter i diamant. Dessa system emitterar dock i allmänhet fotoner vid nära synliga frekvenser, som dämpas snabbt i optiska fibrer. För att fungera optimalt kräver de frekvensomvandling, vilket är komplext och kan bli dyrt. En repeater som automatiskt avger ljus av önskad färg skulle avsevärt förenkla processen.

För att få en erbiumatom att fungera som en sådan kvantrepeater måste två huvudsakliga saker gå rätt. Först måste atomen sända ut fotoner tillräckligt snabbt för att göra schemat praktiskt. För det andra måste den emitterade fotonen bevara sina kvantegenskaper och förbli intrasslad med atomen som emitterade den trots störningar – en egenskap som kallas koherens.

Tyvärr sänder erbiumatomer i det vilda ut telekombandfotoner endast mycket sällan. För att öka erbiums utsläppshastighet vid önskad färg placerade teamet atomen inuti en kristall, bara nanometer bort från ytan. Ovanpå denna kristall placerade de ett hålrum, som är en nanofotonisk kiselanordning utformad för att fånga ljus med den exakta våglängden som erbium avger. Genom erbiumatomen till denna hålighet övertalade Princeton-forskarna den att sända ut telekomfotoner nästan 1000 gånger oftare än den annars skulle göra.

Välj vist

För att bevara fotonernas kvantkoherens tillräckligt länge för att överföra intrassling, var Thompson och kollegor tvungna att välja sitt kristallmaterial mycket noggrant. Från tusentals initiala möjligheter försökte de ett 20-tal i labbet innan de bestämde sig för kalciumvolframat, vilket gjorde att de emitterade fotonernas koherens var tillräckligt hög för att de skulle delta i kvantinterferens med varandra. Denna kvantinterferens är nödvändig för mätningssteget för fotontrassling i kvantrepeaterarkitekturen.

Nästa steg, som Princeton-forskarna säger är inom räckhåll, är att demonstrera intrassling mellan fotoner som emitteras från olika erbiumatomer. Därefter handlar det om att koppla ihop repeatrarna för att bilda en kvantkommunikationskanal. Forskarna tror att denna teknik borde vara lätt att skala eftersom den utnyttjar den mogna kiselfotonikindustrin. "Jag tycker att det här är en väldigt ny och viktig sak", säger Goldschmidt. "Sällsynta jordartsatomer kan behålla mycket av den utmärkta koherens som du får med atomer eller joner i vakuum, samtidigt som de är mycket konstruerade och kompatibla med enhetsintegration, vilket visas så tydligt i detta arbete."

Forskningen beskrivs i Natur.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden