Hjärtat i systemet för att generera grupper av fotoner är en glascell fylld med het gasånga. Att belysa cellen med en laser resulterar i emission av fotoner med en våglängd i det infraröda spektrumområdet. Upphovsman:UW Physics, Mateusz Mazelanik
Fysiker från fysikfakulteten vid universitetet i Warszawa har utvecklat en holografisk atomminnesanordning som kan generera enstaka fotoner på begäran i grupper om flera dussin eller fler. Enheten, framgångsrikt visat i praktiken, övervinner ett av de grundläggande hindren mot konstruktionen av en kvantdator.
Helt säker, höghastighets kvantkommunikation och kvantberäkning är bland de möjliga tillämpningarna för denna nya källa till enstaka fotoner. Det är den första enheten som möjliggör produktion på begäran av en exakt kontrollerad grupp av fotoner, i motsats till bara en enda.
"Jämfört med befintliga lösningar och idéer, vår enhet är mycket effektivare och möjliggör integration i större skala. I funktionell mening, man kan till och med se det som en första motsvarighet till en liten integrerad krets som fungerar på enstaka fotoner, "förklarar Dr. Wojciech Wasilewski (UW Physics), en av författarna till en artikel publicerad i Fysiska granskningsbrev .
De första enkelfotonkällorna uppfanns på 1970-talet, och även om de många typer som finns idag fortfarande har många nackdelar, enstaka fotoner används framgångsrikt i kvantkommunikationsprotokoll som garanterar full sekretess. Dock, för att kunna utföra komplexa kvantberäkningar krävs grupper av fotoner.
Den enklaste metoden för att generera grupper av fotoner är att använda ett tillräckligt stort antal källor. Nuvarande enheter utnyttjar fenomenet spontan parametrisk nedkonvertering (SPDC). Under vissa förutsättningar, en foton som genereras av en laser kan delas upp i två nya, var och en med hälften av energin, och med alla andra egenskaper kopplade till principerna för att bevara energi och fart. Således, när information är kodad på en av fotonerna från paret, egenskaperna hos den andra foton är kända, som ändå förblir ostörda av observation och därför perfekt lämpade för kvantoperationer. Tyvärr, varje SPDC -källa genererar enstaka fotoner långsamt och ganska slumpmässigt.
Under 2013, ett team av fysiker från universiteten i Oxford och London föreslog ett mycket effektivare protokoll för att generera grupper av fotoner. Tanken var att placera ett kvantminne vid varje källa, som skulle kunna lagra utsända fotoner, som sedan kunde släppas i samma ögonblick. Beräkningar visade att den tidsskala som krävs för att avge en grupp på 10 fotoner skulle förkortas med hela 10 storleksordningar - från år till mikrosekunder.
Wojciech Wasilewski (vänster) och Michal Dabrowski från Fysiska fakulteten vid Warszawas universitet demonstrerar enstaka fotongeneratorn baserad på holografiskt kvantminne. Här, den gasfyllda glascellen är placerad inuti den magnetiska skärmen som används för att eliminera yttre störningar. Upphovsman:UW Physics, Mateusz Mazelanik
Källan som utvecklats av universitetet i Warszawa fysiker representerar den första implementeringen av detta koncept. Här, alla fotoner skapas omedelbart i kvantminnet som ett resultat av en laserpuls som endast varar mikrosekunder. Externa källor till enstaka fotoner behövs inte längre, och det nödvändiga antalet kvantminnen reduceras till bara ett.
"Hela vår experimentella installation tar upp cirka två kvadratmeter av vår optiska bordsyta. Men de viktigaste händelserna äger rum i själva minnet, i en glascylinder som mäter cirka 10 cm i längd och med en diameter på 2,5 cm. Alla som kan förvänta sig att se inuti cylindern en sofistikerad design kommer att bli mycket besvikna:Cellens inre är bara fylld med par rubidiumatomer 87Rb vid 60 till 80 grader Celsius ", säger Michal Dabrowski, en doktorsexamen student vid UW Physics.
Enheten är ett rumsligt multimodsminne:Individuella fotoner kan placeras, lagrat, bearbetas och läses på olika områden inuti cylindern, fungerar som separata minneslådor. Skrivoperationen, utförs med en laserstråle, fungerar genom att bevara ett hologram i form av atomiska excitationer. Genom att belysa systemet med lasern kan forskare rekonstruera hologrammet och läsa minnets innehåll.
I experimenten, den nya källan genererade en grupp på upp till 60 fotoner. Beräkningar visar att under realistiska förhållanden användningen av lasrar med högre effekt kan öka detta antal upp till flera tusen. (Beräkningarna som ingick i dataanalysen från detta experiment var av så stor komplexitet att de krävde datorkraft på 53, 000 nätkärnor i PL-Grid-infrastrukturen).
På grund av buller, förluster och andra parasitiska processer, kvantminnet från UW Physics kan lagra fotoner från flera till tiotals mikrosekunder. Även om denna period verkar obetydlig, det finns system som möjliggör enkla operationer på fotoner i nanosekunder. I det nya kvantminnet, forskare kan, i princip, utföra flera hundra operationer på varje foton, vilket är tillräckligt för kvantkommunikation och informationsbehandling.
Att ha en sådan fungerande källa för stora grupper av fotoner är ett viktigt steg mot att konstruera en typ av kvantdator som kan utföra beräkningar på mycket mindre tid än de bästa moderna datormaskinerna. Många år sedan, det visade sig att genomföra enkla linjära optikoperationer på fotoner kan öka hastigheten för kvantberäkning. Komplexiteten hos dessa beräkningar beror på antalet fotoner som bearbetas samtidigt. Dock, begränsningarna av källorna till stora grupper av fotoner förhindrade linjär kvantdatorutveckling, begränsa dem till elementära matematiska operationer.
Förutom kvantberäkningar, den fotoniska integrerade kretsen kan vara användbar vid kvantkommunikation. För närvarande, detta handlar om att skicka enstaka fotoner med hjälp av en optisk fiber. Den nya källan skulle tillåta många fotoner att komma in i den optiska fibern samtidigt, och skulle därför öka kapaciteten hos kvantkanaler.
