W niedawnym badaniu naukowcy uzyskali interferencję kwantową o wysokiej widoczności między dwiema niezależnymi półprzewodnikowymi kropkami kwantowymi, co stanowi kluczowy postęp w kierunku skalowalnych sieci kwantowych.

Naukowcy wykazali interferencję kwantową o wysokiej widoczności między dwiema niezależnymi półprzewodnikowymi kropkami kwantowymi — ważny krok w kierunku skalowalnych sieci kwantowych.

Zeszłoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki uczciła fundamentalne zainteresowanie splątaniem kwantowym, a także przewidziała potencjalne zastosowania w „drugiej rewolucji kwantowej” – nowej epoce, w której jesteśmy w stanie manipulować dziwactwami mechaniki kwantowej, w tym kwantową superpozycją i splątaniem. Wielkoskalowa iw pełni funkcjonalna sieć kwantowa to święty Graal informatyki kwantowej. Otworzy nowe granice fizyki, oferując nowe możliwości obliczeń kwantowych, komunikacji i metrologii.

Jednym z najważniejszych wyzwań jest zwiększenie odległości komunikacji kwantowej do praktycznie użytecznej skali. W przeciwieństwie do klasycznych sygnałów, które można wzmacniać bezgłośnie, stanów kwantowych w superpozycji nie można wzmacniać, ponieważ nie można ich doskonale sklonować. Dlatego wysokowydajna sieć kwantowa wymaga nie tylko kanałów kwantowych o bardzo niskich stratach i pamięci kwantowej, ale także wysokowydajnych kwantowych źródeł światła. Ostatnio nastąpił ekscytujący postęp w satelitarnej komunikacji kwantowej i przekaźnikach kwantowych, ale brak odpowiednich źródeł pojedynczych fotonów zahamował dalsze postępy.

Eksperymentalna konfiguracja interferencji kwantowej między dwoma niezależnymi źródłami jednofotonowymi QD w stanie stałym oddzielonymi włóknem o długości 302 km. DM: zwierciadło dichromatyczne, LP: dalekie przejście, BP: pasmo przepustowe, BS: dzielnik wiązki, SNSPD: nadprzewodzący nanoprzewodowy detektor pojedynczych fotonów, HWP: półfalówka, QWP: ćwierćfalówka, PBS: polaryzacyjny rozdzielacz wiązki. Źródło: Ty i in., doi 10.1117/1.AP.4.6.066003

Co jest wymagane od źródła pojedynczego fotonu do zastosowań w sieciach kwantowych? Po pierwsze, powinien emitować jeden (tylko jeden) foton na raz. Po drugie, aby osiągnąć jasność, źródła jednofotonowe powinny charakteryzować się wysoką wydajnością systemu i dużą częstotliwością powtarzania. Po trzecie, w zastosowaniach takich jak teleportacja kwantowa, które wymagają zakłócania niezależnych fotonów, pojedyncze fotony powinny być nie do odróżnienia. Dodatkowe wymagania obejmują skalowalną platformę, przestrajalną i wąskopasmową szerokość linii (sprzyjającą synchronizacji czasowej) oraz łączność z kubitami materii.

Obiecującym źródłem są kropki kwantowe (QD), cząstki półprzewodnikowe o wielkości zaledwie kilku nanometrów. Jednak w ciągu ostatnich dwóch dekad widoczność interferencji kwantowej między niezależnymi QD rzadko przekraczała klasyczną granicę 50%, a odległości ograniczono do około kilku metrów lub kilometrów.

Jak podano w Zaawansowana fotonika, międzynarodowy zespół naukowców osiągnął interferencję kwantową o wysokiej widoczności między dwoma niezależnymi QD połączonymi światłowodami o długości ~300 km. Zgłaszają wydajne i nie do odróżnienia źródła pojedynczych fotonów z bardzo niskim poziomem szumów, przestrajalną konwersją częstotliwości pojedynczego fotonu i transmisją długich włókien o niskiej dyspersji. Pojedyncze fotony są generowane z napędzanych rezonansowo pojedynczych QD, deterministycznie sprzężonych z mikrownękami. Kwantowe konwersje częstotliwości służą do eliminacji niejednorodności QD i przesunięcia długości fali emisji do pasma telekomunikacyjnego. Obserwowana widoczność interferencji sięga 93%. Według starszego autora Chao-Yang Lu, profesora na Uniwersytecie Nauki i Technologii w Chinach (USTC), „Możliwe ulepszenia mogą jeszcze bardziej wydłużyć dystans do ~ 600 km”.

Lu zauważa: „Nasza praca przeskoczyła z poprzednich eksperymentów kwantowych opartych na QD w skali od ~1 km do 300 km, o dwa rzędy wielkości większej, a tym samym otwiera ekscytującą perspektywę stałych sieci kwantowych”. Dzięki temu zgłoszonemu skokowi świt półprzewodnikowych sieci kwantowych może wkrótce zacząć zbliżać się do dnia.

Odniesienie: „Interferencja kwantowa z niezależnymi źródłami pojedynczego fotonu na 300 km światłowodu” Xiang You, Mingyang Zheng, Si Chen, Run-Ze Liu, Jian Qin, Mo-Chi Xu, Zheng-Xuan Ge, Tung-Hsun Chung, Yu -Kun Qiao, Yang-Fan Jiang, Han-Sen Zhong, Ming-Cheng Chen, Hui Wang, Yu-Ming He, Xiu-Ping Xie, Hao Li, Li-Xing You III, Christian Schneider, Juan Yin, Teng-Yun Chen, Mohamed Benyoucef, Yong-Heng Huo, Sven Höfling, Qiang Zhang, Chao-Yang Lu i Jian-Wei Pan, 27 grudnia 2022 r., Zaawansowana fotonika.
DOI: 10.1117/1.AP.4.6.066003