MIT-forskare har utformat ett sätt att generera, vid rumstemperatur, fler enskilda fotoner för att bära kvantinformation. Designen, de säger, lovar utvecklingen av praktiska kvantdatorer.

Kvantsändare genererar fotoner som kan detekteras en i taget. Konsumentkvantdatorer och -enheter kan potentiellt utnyttja vissa egenskaper hos dessa fotoner som kvantbitar ("qubits") för att utföra beräkningar. Medan klassiska datorer bearbetar och lagrar information i bitar av antingen 0:or eller 1:or, qubits kan vara 0 och 1 samtidigt. Det betyder att kvantdatorer potentiellt kan lösa problem som är svårlösta för klassiska datorer.

En viktig utmaning, dock, producerar enstaka fotoner med identiska kvantegenskaper – kända som "oskiljbara" fotoner. För att förbättra oskiljbarheten, sänder ut trattljus genom en optisk kavitet där fotonerna studsar fram och tillbaka, en process som hjälper till att matcha deras egenskaper till kaviteten. Rent generellt, ju längre fotoner stannar i kaviteten, ju mer de matchar.

Men det finns också en avvägning. I stora hålrum, kvantemitters genererar fotoner spontant, vilket resulterar i att endast en liten del av fotoner stannar i håligheten, gör processen ineffektiv. Mindre kaviteter extraherar högre andel fotoner, men fotonerna är av lägre kvalitet, eller "särskiljbar".

I en tidning som publicerades idag i Fysiska granskningsbrev , forskarna delar upp en hålighet i två, var och en med en särskild uppgift. En mindre kavitet hanterar effektiv extraktion av fotoner, medan en bifogad stor hålighet lagrar dem lite längre för att öka omöjligheten att skiljas åt.

Jämfört med ett enda hålrum, forskarnas kopplade kavitet genererade fotoner med cirka 95 procent omöjliga att urskilja, jämfört med 80 procent omöjlig att särskilja, med cirka tre gånger högre effektivitet.

"Kortfattat, två är bättre än en, " säger första författaren Hyeongrak "Chuck" Choi, en doktorand vid MIT Research Laboratory of Electronics (RLE). "Vad vi fann är att i den här arkitekturen, vi kan separera rollerna för de två kaviteterna:Den första kaviteten fokuserar bara på att samla in fotoner för hög effektivitet, medan den andra fokuserar på omöjlighet att särskilja i en enda kanal. En hålighet som spelar båda rollerna kan inte uppfylla båda måtten, men två håligheter uppnår båda samtidigt."

Med Choi på tidningen är:Dirk Englund, en docent i elektroteknik och datavetenskap, en forskare inom RLE, och chef för Quantum Photonics Laboratory; Di Zhu, en doktorand i RLE; och Yoseob Yoon, en doktorand vid Institutionen för kemi.

De relativt nya kvantemitterna, känd som "enfotonavsändare, " skapas av defekter i annars rena material, som diamanter, dopade kolnanorör, eller kvantprickar. Ljus som produceras från dessa "konstgjorda atomer" fångas upp av en liten optisk hålighet i fotonisk kristall - en nanostruktur som fungerar som en spegel. Vissa fotoner flyr, men andra studsar runt hålrummet, vilket tvingar fotonerna att ha samma kvantegenskaper - främst, olika frekvensegenskaper. När de mäts för att matcha, de lämnar kaviteten genom en vågledare.

Men enfotonutsändare upplever också massor av miljöljud, såsom gittervibrationer eller elektriska laddningsfluktuationer, som producerar olika våglängder eller faser. Fotoner med olika egenskaper kan inte "störas, "så att deras vågor överlappar varandra, resulterar i interferensmönster. Det interferensmönstret är i grunden vad en kvantdator observerar och mäter för att utföra beräkningsuppgifter.

Foton omöjlig att urskilja är ett mått på fotoners potential att störa. På det sättet, det är ett värdefullt mått för att simulera deras användning för praktisk kvantberäkning. "Även före fotoninterferens, med omöjlighet att urskilja, vi kan specificera förmågan för fotonerna att störa, " säger Choi. "Om vi ​​känner till den förmågan, vi kan beräkna vad som kommer att hända om de använder det för kvantteknik, som kvantdatorer, kommunikation, eller repeaters."

I forskarnas system, ett litet hålrum sitter fäst vid en sändare, som i deras studier var en optisk defekt i en diamant, kallas ett "kisel-vakanscenter" - en kiselatom som ersätter två kolatomer i ett diamantgitter. Ljus som produceras av defekten samlas in i den första kaviteten. På grund av dess ljusfokuserande struktur, fotoner extraheras med mycket höga hastigheter. Sedan, nanokavitet kanaliserar fotonerna till en sekund, större hålighet. Där, fotonerna studsar fram och tillbaka under en viss tidsperiod. När de når en hög omöjlighet att särskilja, fotonerna går ut genom en partiell spegel bildad av hål som förbinder kaviteten med en vågledare.

Viktigt, Choi säger, ingendera kaviteten måste uppfylla rigorösa designkrav för effektivitet eller omöjlighet att särskilja som traditionella kaviteter, kallad "kvalitetsfaktor (Q-faktor)." Ju högre Q-faktor, desto lägre energiförlust i optiska kaviteter. Men hålrum med höga Q-faktorer är tekniskt utmanande att göra.

I studien, forskarnas kopplade kavitet producerade fotoner av högre kvalitet än något möjligt system med en kavitet. Även när dess Q-faktor var ungefär en hundradel av kvaliteten på systemet med en kavitet, de kunde uppnå samma oskiljbarhet med tre gånger högre effektivitet.

Kaviteterna kan ställas in för att optimera för effektivitet kontra omöjlighet att särskilja – och för att ta hänsyn till eventuella begränsningar på Q-faktorn – beroende på applikation. Det är viktigt, Choi tillägger, eftersom dagens utsläppare som arbetar i rumstemperatur kan variera mycket i kvalitet och egenskaper.

Nästa, forskarna testar den ultimata teoretiska gränsen för flera hålrum. Ytterligare en hålighet skulle fortfarande hantera den initiala extraktionen effektivt, men sedan skulle vara kopplad till flera kaviteter som fotoner för olika storlekar för att uppnå en viss optimal omöjlighet att skiljas åt. Men det kommer troligen att finnas en gräns, Choi säger:"Med två hålrum, det finns bara en koppling, så det kan vara effektivt. Men om det finns flera hålrum, de många anslutningarna kan göra det ineffektivt. Vi studerar nu den grundläggande gränsen för kaviteter för användning i kvantberäkning."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.