Milepæler på veien til nyttige kvanteteknologier

N-foldige tilfeldigheter bekrefter oppbyggingen av 2N-foton GHZ-tilstander. (b) Skisse av forsøksoppsettet. En Ti:sapphire-laser med en bølgelengde på 775 nm pumper en polarisasjonsklokke-tilstandskilde basert på parametrisk nedkonvertering i en Sagnac-konfigurasjon (blått område). Ett foton av hvert utsendte klokkepar blir oppdaget og utløser fremmatingen (røde piler), og det andre fotonet sendes til vår helt optiske lagringssløyfe (grønt område), hvor det lagres til det blir forstyrret med påfølgende qubit. Kreditt: Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.150501″ width=”800″ height=”417″/>

Små partikler henger sammen til tross for at de noen ganger er tusenvis av kilometer fra hverandre – Albert Einstein kalte denne “skummel handling på avstand.” Noe som ville være uforklarlig med lovene i klassisk fysikk er en grunnleggende del av kvantefysikken. Sammenfiltring som dette kan oppstå mellom flere kvantepartikler, noe som betyr at visse egenskaper til partiklene er nært knyttet til hverandre.

Sammenfiltrede systemer som inneholder flere kvantepartikler tilby betydelige fordeler ved implementering av kvantealgoritmer, som har potensial til å brukes i kommunikasjon, datasikkerhet eller kvanteberegning. Forskere fra Paderborn University har jobbet med kolleger fra Ulm University for å utvikle det første programmerbare optiske kvanteminnet. Studien ble publisert som et “Redaktørens forslag” i Fysiske gjennomgangsbrev tidsskrift.

Sammenfiltrede lyspartikler

Gruppen Integrated Quantum Optics ledet av prof. Christine Silberhorn fra Institutt for fysikk og institutt for fotoniske kvantesystemer (PhoQS) ved Paderborn University bruker små lyspartikler, eller fotonersom kvantesystemer. Forskerne prøver å vikle så mange som mulig inn i store stater. I samarbeid med forskere fra Institutt for teoretisk fysikk ved Ulm Universitet har de nå presentert en ny tilnærming.

Tidligere har forsøk på å vikle inn mer enn to partikler bare resultert i svært ineffektive sammenfiltring generasjon. I noen tilfeller, hvis forskere ønsket å koble to partikler med andre, innebar det en lang ventetid, ettersom sammenkoblingene som fremmer denne sammenfiltringen bare fungerer med begrenset sannsynlighet i stedet for ved å trykke på en knapp. Dette betydde at fotonene ikke lenger var en del av eksperimentet når den neste passende partikkelen ankom – ettersom lagring av qubit-tilstander representerer en stor eksperimentell utfordring.

Gradvis oppnå større sammenfiltring

“Vi har nå utviklet et programmerbart, optisk bufferkvanteminne som kan bytte dynamisk frem og tilbake mellom forskjellige moduser – lagringsmodus, interferensmodus og den endelige utgivelsen,” forklarer Silberhorn.

I forsøksoppsettet er en liten hvor mye stat kan lagres til en annen tilstand genereres, og deretter kan de to vikles inn. Dette gjør det mulig for en stor, sammenfiltret kvantetilstand å vokse partikkel for partikkel. Silberhorns team har allerede brukt denne metoden for å vikle inn seks partikler, noe som gjør den mye mer effektiv enn noen tidligere eksperimenter. Til sammenligning besto den største sammenfiltringen av fotonpar noensinne, utført av kinesiske forskere, av tolv individuelle partikler. Å opprette denne staten tok imidlertid betydelig mer tid, i størrelsesordener.

Kvantefysikeren forklarer: “Vårt system tillater at sammenfiltrede tilstander av økende størrelse gradvis bygges opp – noe som er mye mer pålitelig, raskere og mer effektivt enn noen tidligere metode. For oss representerer dette en milepæl som setter oss i slående avstand fra praktiske anvendelser av store, sammenfiltrede tilstander for nyttige kvanteteknologier.” Den nye tilnærmingen kan kombineres med alle vanlige foton-par kilder, noe som betyr at andre forskere også vil kunne bruke metoden.