Ett polsk-brittiskt team av fysiker har konstruerat och testat en kompakt, effektiv omvandlare som kan ändra kvantegenskaperna hos enskilda fotoner. Den nya enheten ska underlätta konstruktionen av komplexa kvantdatorer, och i framtiden kan bli ett viktigt inslag i globala kvantnätverk, efterträdarna till dagens internet.

Quantum internet och hybrid quantum computers, byggd av delsystem som fungerar med hjälp av fysiska fenomen, är nu mer än bara fantasi. I en artikel publicerad i Nature Photonics , fysiker från University of Warszawas fakultet för fysik (FUW) och University of Oxford rapporterar utvecklingen av ett nyckelelement i sådana system:en elektro-optisk enhet som gör det möjligt att ändra individuella fotons egenskaper. Till skillnad från befintliga laboratoriekonstruktioner, denna nya enhet fungerar med tidigare ouppnåelig effektivitet och är samtidigt stabil, pålitlig och kompakt.

Att bygga en effektiv enhet för att modifiera kvanttillståndet för enskilda fotoner var en exceptionellt utmanande uppgift, med tanke på de grundläggande skillnaderna mellan klassisk och kvantberäkning.

Samtida datorsystem är baserade på bearbetning av grupper av bitar, var och en är i ett specifikt tillstånd:antingen 0 eller 1. Grupper av sådana bitar överförs kontinuerligt mellan olika delkomponenter inom en enda dator, och mellan olika datorer i nätverket. Vi kan illustrera detta bildligt genom att föreställa oss en situation där myntbrickor flyttas från plats till plats, med varje mynt som visar antingen huvuden eller svansarna.

Saker är mer komplicerade i kvantberäkning, som bygger på fenomenet överlagring av stater. En kvantbit, känd som en qubit, kan vara både i tillståndet 1 och 0 samtidigt. För att förlänga metaforen för mynten, detta är analogt med en situation där varje mynt snurrar på kanten. Informationsbehandling kan beskrivas som "kvantbehandling" så länge denna överlagring av tillstånd behålls under alla operationer - med andra ord, så länge ingen av mynten tippas ur spinnläget medan brickan flyttas.

"Under de senaste åren har fysiker har kommit på hur man genererar ljuspulser med en specifik våglängd eller polarisering, som består av en enda kvant - eller excitation - av det elektromagnetiska fältet. Och så idag, vi vet hur vi genererar exakt vilken typ av kvant "snurrande mynt" vi vill, "säger Dr Michal Karpinski från Institute of Experimental Physics (FUW), en av författarna till publikationen. "Men att uppnå en sak gör att du alltid vill ha mer. Om vi ​​nu har individuella ljuskvanter med specifika egenskaper, det skulle vara bra att ändra dessa egenskaper. Uppgiften är därför att ta ett snurrande silvermynt och flytta det från en plats till en annan, medan du snabbt och exakt förvandlar det till ett guldmynt, naturligtvis utan att välta det. Du kan enkelt se att problemet är otrevligt. "

Befintliga metoder för att modifiera enskilda fotoner har använt olinjära optiska tekniker - i praktiken försöker tvinga en enskild foton att interagera med en mycket stark optisk pumpstråle. Om fotonen verkligen blir modifierad är en ren chans. Dessutom, spridningen av pumpstrålen kan förorena strömmen av enskilda fotoner. Vid konstruktionen av den nya enheten, gruppen från University of Warsaw och University of Oxford bestämde sig för att använda ett annat fysiskt fenomen:den elektrooptiska effekten som förekommer i vissa kristaller. Det ger ett sätt att ändra brytningsindex för ljus i kristallen genom att variera intensiteten hos en extern magnetisk kraft som appliceras på den (med andra ord, utan att införa ytterligare fotoner).

"Det är ganska häpnadsväckande att för att ändra kvantegenskaperna hos enskilda fotoner, vi kan framgångsrikt tillämpa tekniker som liknar de som används i standard fiberoptisk telekommunikation, "Dr Karpinski säger.

Med den nya enheten, forskarna uppnådde en sexfaldig förlängning av varaktigheten av en enfotonpuls utan att störa kvantsuperpositionen, vilket automatiskt innebär en minskning av dess spektrum. Vad som är särskilt viktigt är att hela operationen utfördes samtidigt som den bevarade mycket hög konverteringseffektivitet. Befintliga omvandlare har bara fungerat under laboratorieförhållanden och kunde bara ändra en av flera tiotals fotoner. Den nya enheten fungerar med effektivitet överstigande 30 procent, upp till 200 gånger bättre än vissa befintliga lösningar, samtidigt som den behåller en låg ljudnivå.

"I huvudsak, vi bearbetar varje foton som kommer in i kristallen. Effektiviteten är mindre än 100 procent inte på grund av fenomenets fysik, men på grund av svår att undvika förluster av rent teknisk natur, visas, till exempel, när ljus kommer in eller ut ur optiska fibrer, "förklarar doktoranden Michal Jachura (FUW).

Den nya omvandlaren är inte bara effektiv och ljudlös, men också stabil och kompakt. Enheten kan förvaras i en låda runt 10 cm (4 tum), enkel att installera i ett optiskt fibersystem som kanaliserar enskilda fotoner. En sådan enhet kan göra det möjligt att bygga saker som hybridkvantdatorer, vars enskilda delkomponenter skulle behandla information med olika fysiska plattformar och kvantfenomen. För närvarande, försök görs för att bygga kvantdatorer med hjälp av saker som instängda joner, elektron snurrar i diamant, kvantprickar, supraledande elektriska kretsar, och atommoln. Varje system interagerar med ljus av olika egenskaper, som i praktiken utesluter optisk överföring av kvantinformation mellan olika system. Den nya omvandlaren, å andra sidan, effektivt kan omvandla enkelfoton-pulser av ljus som är kompatibla med ett system till pulser som är kompatibla med ett annat. Forskare arbetar därför mot kvantnätverk, båda små i en enda kvantdator (eller delkomponent därav), och globala som tillhandahåller ett sätt att skicka data helt säkert mellan kvantdatorer som finns i olika delar av världen.