Ett EU -projekt som arbetar med ultrasnabb optik, ytterligare kontroll över de rumsliga och temporala kvanttillstånden i ljuset, främja kvantinformationsvetenskap.

Quantum Information Science (QIS) ger mycket hopp om förbättrad metrologi samt olika information, Kommunikations- och tekniksystem (ITC). Dock, graden av kontroll över kvanttillstånd som är nödvändiga för att göra tillvägagångssättet överlägset konventionella tekniker, gör förverkligandet av teknikens potential särskilt utmanande. Så kallade 'pressade tillstånd i kontinuerligt variabla system' har framställts som ett tillvägagångssätt som kan ge framgång för bättre kontroll av kvanttillstånd, delvis för att dessa system anses vara skalbara.

Det EU-finansierade projektet QCUMBER (Quantum Controlled Ultrafast Multimode Entanglement and Measurement), undersökte användningen av sådana pressade tillstånd, eller flerfotontillstånd, i olika tidslägen baserade på integrerade optiska enheter. I en artikel som nyligen publicerades i tidskriften 'Philosophical Transactions A' från Royal Society, forskarna omfattar de nuvarande gränserna för vågledarklämning och förlustgränserna i konverteringsprocessen.

Att trassla ihop pressade tillstånd

Tidningens författare påpekar att under de senaste decennierna har betydande framsteg har gjorts med vågledare med låg förlust, mycket effektiva foton-detektorer och olinjära processer. Dessutom, tack vare framgången med den icke-linjära optiska processen som kallas 'konstruerad sumfrekvensomvandling', operation på godtyckliga tidsmässiga bredbandslägen är nu möjlig. Detta öppnar upp den spektrala frihetsgraden för informationskodning, ofta in i temporala lägen för en enda foton.

QCUMBER undersökte möjligheten att kombinera, i ett vågledarsystem, både klämmande och lägesselektiv frekvensomvandling. Genom att skapa en analogi mellan Quantum Pulse Gates (QPGs - basic quantum circuits) och rumsliga nätverk, de möjliggjorde en visualisering av processen för att trassla ihop klämda tillstånd eller konstruera komplexa multimod kontinuerliga variabeltillstånd.

Tittar på klämningen som kan uppnås i ett KTP-enkelpass, vågledare i ett läge, laget fann att det var möjligt att klämma upp till 20 decibel, men det komplicerade beteendet i processen, resulterat i betydande försämring, begränsa konverteringseffektiviteten till under 90 %. Dock, de påpekar att detta fortfarande är lovande för teknikens framtid. De hävdar att för applikationer där låg konverteringseffektivitet är tillräcklig, detta utgör inget problem och fasmatchning kan konstrueras med en enkel modell utan behov av pumpkraft.

På spektralområdet, laget uppnådde också intrassling i en kontinuerlig vågfrekvenskamstruktur med upp till 60 tidsmässiga lägen och cirka 10 lägen i en pulserad, ultrasnabbt system. De rapporterar att när klämningen kan nå vissa trösklar, felkorrigering för kvantberäkning blir möjlig, som kommer att driva vetenskapen framåt.

Knacka på extrema tidsskalor och breda spektra

Ultrasnabba ljuspulser erbjuder möjligheter att bättre förstå underliggande systemdynamik vid tidsskalor av mycket kort varaktighet. Utnyttjandet av ljusets kvantattribut har avancerat den grundläggande fysikkunskap som erhållits genom experiment och har varit nyckeln till framsteg inom kvantkommunikation och kvantmetrologi. Verkligen, hög precision metrologi har möjliggjorts genom utnyttjandet av den bredfrekventa kamstrukturen som tåg av ultrasnabba ljuspulser skapar.

QCUMBER inrättades för att ytterligare undersöka möjligheter som kan finnas inom förhållandet mellan ljusets kvantegenskaper vid extrema tidsskalor och över extremt breda spektra. Att utnyttja strukturen för ultrasnabba kvantpulser kommer att möjliggöra allt mer exakta tidsfrekvensmätningar och introducera innovation för skalbar kvantinformationsbehandling.