Under de senaste två decennierna, enorma framsteg har gjorts inom området kvantinformationsvetenskap. Forskare drar nytta av kvantmekanikens märkliga natur för att lösa svåra problem inom datoranvändning och kommunikation, såväl som vid avkänning och mätning av känsliga system. En forskningsväg inom detta område är optisk kvantinformationsbehandling, som använder fotoner — små ljuspartiklar som har unika kvantegenskaper.

En nyckelresurs för att främja forskning inom kvantinformationsvetenskap skulle vara en källa som effektivt och pålitligt skulle kunna producera enstaka fotoner. Dock, eftersom kvantprocesser i sig är slumpmässiga, Att skapa en fotonkälla som producerar enstaka fotoner på begäran är en utmaning i varje steg.

Nu University of Illinois Physics Professor Paul Kwiat och hans tidigare postdoktorale forskare Fumihiro Kaneda (nu biträdande professor vid Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences vid Tohoku University) har byggt vad Kwiat anser är "världens mest effektiva enfotonkälla". Och de förbättrar det fortfarande. Med planerade uppgraderingar, apparaten kan generera uppemot 30 fotoner med oöverträffad effektivitet. Källor av den kalibern är precis vad som behövs för optiska kvantinformationstillämpningar.

Forskarnas aktuella resultat publicerades online i Vetenskapliga framsteg den 4 oktober, 2019.

Kwiat förklarar, "En foton är den minsta ljusenheten:Einsteins introduktion av detta koncept 1905 markerade kvantmekanikens gryning. Idag, fotonen är en föreslagen resurs för kvantberäkning och kommunikation - dess unika egenskaper gör den till en utmärkt kandidat att fungera som en kvantbit, eller qubit."

"Fotoner rör sig snabbt-perfekt för fjärröverföring av kvanttillstånd-och uppvisar kvantfenomen vid den vanliga temperaturen i vårt dagliga liv, "tillägger Kaneda." Andra lovande kandidater för qubits, som fångade joner och supraledande strömmar, är endast stabila i isolerade och extremt kalla förhållanden. Så utvecklingen av enkelfotonkällor på begäran är avgörande för att förverkliga kvantnätverk och kan möjliggöra små rumstemperaturkvantprocessorer. "

Hittills, den maximala genereringseffektiviteten för användbara enkla fotoner har varit ganska låg.

Varför? Kvantoptikforskare använder ofta en olinjär optisk effekt som kallas spontan parametrisk nedkonvertering (SPDC) för att producera fotonpar. I en designad kristall, inom en laserpuls som innehåller miljarder fotoner, en enda högenergifoton kan delas upp i ett par lågenergifotoner. Det är avgörande att producera ett fotonpar:en av de två detekteras - vilket förstör det - för att "förkunna" den andras existens, enkelfotonutgången från fotonkällan.

Men att få den kvantomvandlingen från en till två fotoner att hända är emot alla odds.

"SPDC är en kvantprocess, och det är osäkert om källan inte kommer att producera något, eller ett par, eller två par, "Kwiat noterar. "Sannolikheten för att producera exakt ett par enstaka fotoner är som mest 25 procent."

Fysikprofessor Fumihiro Kaneda från Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences vid Tohoku University. Kaneda är en före detta postdoktor i Kwiat-gruppen vid institutionen för fysik, University of Illinois i Urbana-Champaign.

Kwiat och Kaneda löste detta lågeffektiva problem i SPDC med en teknik som kallas tidsmultiplexering. För varje löpning, SPDC-källan pulsas 40 gånger i lika intervall, producerar 40 "tidsfack, "var och en innehåller möjligen ett par fotoner (även om det sällan skulle vara fallet). Varje gång ett fotonpar produceras, en foton i paret utlöser en optisk omkopplare, som dirigerar systerfotonen till tillfällig lagring i en optisk fördröjningslinje - en sluten slinga skapad med speglar. Genom att veta när fotonen kom in i slingan (när triggerfotonen upptäcktes), forskarna vet exakt hur många cykler de ska hålla fotonen innan de kopplar bort den. På det här sättet, oavsett vilken av de 40 pulserna som producerade paret, den lagrade fotonen kan alltid frigöras samtidigt. När alla 40 pulser har inträffat, alla lagrade fotoner släpps tillsammans, som om de kom från samma tidskärl.

Kwiat kommentarer, "Att kartlägga en massa olika möjligheter, alla olika tidsfack, till en — det förbättrar avsevärt sannolikheten att du kan se något."

Att pulsera källan 40 gånger garanterar i huvudsak att minst ett fotonpar produceras för varje körning.

Vad mer, fördröjningslinjen som fotonerna lagras i har en förlust på endast 1,2 procent per cykel; eftersom källan pulseras så många gånger, att ha en låg förlustfrekvens är avgörande. Annat, fotoner som produceras i de första pulserna kan lätt gå förlorade.

När fotonerna äntligen släpps, de är kopplade till en enkelmodig optisk fiber med hög effektivitet. Detta är tillståndet som fotonerna måste vara i för att vara användbara i kvantinformationsapplikationer.

Kwiat påpekar, effektivitetsökningen från att generera fotoner på detta sätt är signifikant. Om, till exempel, en applikation som kräver en 12-fotonskälla, man kunde rada upp sex oberoende SPDC-källor och vänta på en händelse när var och en av dem samtidigt producerade ett enda par.

"Världens bästa konkurrerande experiment för tillfället med dessa multipla fotontillstånd fick vänta ungefär två minuter tills de fick en enda sådan händelse, "Kwiat noterar. "De pulserar med 80 miljoner gånger i sekunden - de försöker mycket, väldigt ofta – men det är bara ungefär en gång varannan minut som de får denna händelse där varje källa producerar exakt ett fotonpar.

"Vi kan beräkna, baserat på vår hastighet, sannolikheten att vi skulle kunna producera något sådant. Vi kör faktiskt ganska lite långsammare, så vi gör bara försöket varannan mikrosekund – de försöker det 160 gånger så ofta – men eftersom vår effektivitet är så mycket högre med multiplexing, vi skulle faktiskt kunna producera något som 4, 000 12-fotonhändelser per sekund."

Med andra ord, Kwiat och Kanedas produktionshastighet är cirka 500, 000 gånger snabbare.

Dock, som Kwiat noterar, några problem återstår att lösa. En fråga härrör från nedkonverteringsprocessens slumpmässiga natur:det finns en chans att istället för ett enda fotonpar, flera fotonpar kan produceras. Vidare, eftersom nedkonverteringsprocessen som användes i detta experiment var relativt ineffektiv, källan "drevs" i en högre takt, öka sannolikheten för att sådana oönskade flera par skulle genereras.

Även med tanke på potentiella multifotonhändelser, effektivitetsnivån för detta experiment var världsrekord.

Så vad händer härnäst, och hur kommer Kwiat-teamet att ta itu med dessa sällsynta oönskade multifotonhändelser?

Colin Lualdi, en nuvarande doktorand som arbetar i Kwiats forskargrupp, arbetar med att uppgradera källan med fotonnummerupplösningsdetektorer som skulle kassera multifotonhändelser innan fördröjningslinjen triggas för att lagra dem. Denna förbättring skulle helt och hållet eliminera problemet med multifotonhändelser.

Ett annat område för pågående forskning för Kwiat team kommer att förbättra effektiviteten hos enskilda delar av enfoton-källanordningen. Lualdi tror att framtida förbättringar kommer att skjuta upp hastigheten för singelfotonproduktion långt bortom det nuvarande experimentet.

"Det slutliga målet är att kunna förbereda enstaka rena kvanttillstånd som vi kan använda för att koda och bearbeta information på sätt som överträffar klassiska metoder, " Lualdi förklarar. "Det är därför det är så viktigt att dessa källor producerar enstaka fotoner. Om källan oväntat genererar två fotoner istället för en, då har vi inte den grundläggande byggstenen som vi behöver."

Och för att kunna utföra någon form av meningsfull kvantinformationsbehandling med dessa fotoniska qubits, det behövs ett stort utbud.

Som Kwiat uttrycker det, "Fältet går bortom experiment med bara en eller två fotoner. Människor försöker nu göra experiment på 10 till 12 fotoner, och så småningom skulle vi vilja ha 50 till 100 fotoner."

Kwiat extrapolerar att de förbättringar som görs på detta arbete kan bana väg mot kapaciteten att generera över 30 fotoner med hög effektivitet. Kwiat och Kanedas resultat har flyttat oss ett steg närmare att göra optisk kvanteinformationsbehandling till verklighet.