Med ledande företag som nu investerar i mycket dyra och komplexa infrastrukturer för att frigöra kraften i kvantteknik, INRS-forskare har uppnått ett genombrott i ett lätt fotoniskt system skapat med hjälp av on-chip-enheter och off-the-shelf telekommunikationskomponenter. I deras tidning publicerad i Natur , Teamet visar att fotoner kan bli en tillgänglig och kraftfull kvantresurs när de genereras i form av färgintrasslade quDits.

Systemet använder ett litet och kostnadseffektivt fotoniskt chip tillverkat genom processer liknande de som används för integrerad elektronik. Med en mikroringresonator på chipet exciterad av en laser, fotoner emitteras i par som delar ett komplext kvanttillstånd. Fotonerna är konstruerade i ett tillstånd med ett antal överlagrade frekvenskomponenter:Fotonerna har flera färger samtidigt, och färgerna för varje foton i ett par är länkade (trasslade), oavsett deras separationsavstånd.

Med varje frekvens – eller färg – representerar en dimension, fotonerna genereras på chipet som ett högdimensionellt kvanttillstånd (quDit). Än så länge, kvantinformationsvetenskap har till stor del fokuserat på exploatering av qubits, baserat på tvådimensionella system där två tillstånd överlagras (till exempel, 0 OCH 1 samtidigt, i motsats till klassiska bitar, som är 0 ELLER 1 när som helst). Att arbeta i frekvensdomänen tillåter överlagring av många fler tillstånd (t.ex. en högdimensionell foton kan vara röd OCH gul OCH grön OCH blå, även om fotonerna som används här var infraröda för telekommunikationskompatibilitet), öka mängden information i en enda foton.

Hittills, Professor Roberto Morandotti, som leder INRS forskarteam, bekräftar förverkligandet av ett kvantsystem med minst hundra dimensioner med hjälp av detta tillvägagångssätt, och den utvecklade tekniken är lätt utbyggbar för att skapa två-quDit-system med mer än 9, 000 dimensioner (motsvarande 12 qubits och mer, jämförbar med den senaste tekniken i betydligt dyrare/komplicerade plattformar).

Användningen av frekvensdomänen för sådana kvanttillstånd möjliggör deras enkel överföring och manipulering i optiska fibersystem. "Genom att slå samman områdena kvantoptik och ultrasnabb optisk bearbetning, vi har visat att högdimensionell manipulation av dessa tillstånd verkligen är möjlig med hjälp av standardtelekommunikationselement som modulatorer och frekvensfilter, " betonar experten på telekommunikationssystem, professor José Azaña, bihandledare för den genomförda forskningen.

Tills nu, Framsteg inom etablerad teknik för telekommunikationssektorn var inriktade på manipulering av klassiska signaler. Denna forskning är en spelomvandlare:framstegen kan omedelbart överföras till kvantvetenskap och kommer direkt att möjliggöra grundläggande undersökningar av högdimensionella kvanttillståndsegenskaper, applikationer inom fiberbaserad kvantkommunikation med stort alfabet, och den framtida utvecklingen av frekvensdomän, högdimensionella kvantlogiska grindar och andra applikationer.

Ledande författare Michael Kues och Christian Reimer noterar att en höjdpunkt på den demonstrerade plattformen är dess tillgänglighet:Det är lätt att bygga och utnyttja komponenter som används i standardtelekommunikationssystem som är kommersiellt tillgängliga överallt. Således, på kort sikt, forskare runt om i världen kommer att kunna införliva och driva denna teknik framåt, möjliggör ett steg i utvecklingen av praktiska kvanttillämpningar.