Det är ytterligare ett steg på vägen mot att utveckla tillämpningar för bearbetning av kvantinformation:Ett nyckelexperiment lyckades gå utöver de tidigare definierade gränserna för fotontillämpningar. Anahita Khodadad Kashi och Prof. Dr. Michael Kues från Institute of Photonics och Cluster of Excellence PhoenixD vid Leibniz University Hannover (Tyskland) har visat en ny interferenseffekt. Forskarna har alltså visat att nya färgkodade fotoniska nätverk kan utnyttjas, och antalet inblandade fotoner kan skalas. "Denna upptäckt kan möjliggöra nya riktmärken inom kvantkommunikation, beräkningsoperationer av kvantdatorer såväl som kvantmätningstekniker och är genomförbart med befintlig optisk telekommunikationsinfrastruktur, säger Kues.

Det avgörande experimentet utfördes framgångsrikt i det nyinrättade Quantum Photonics Laboratory (QPL) vid Institute of Photonics och Hannover Center for Optical Technologies vid Leibniz University Hannover. Anahita Khodadad Kashi lyckades kvantmekaniskt störa oberoende genererade rena fotoner med olika färger, d.v.s. frekvenser. Khodadad Kashi upptäckte en så kallad Hong-Ou-Mandel-effekt.

Hong-Ou-Mandel-interferens är en grundläggande effekt av kvantoptik som utgör grunden för många tillämpningar för behandling av kvantinformation – från kvantberäkning till kvantmetrologi. Effekten beskriver hur två fotoner beter sig när de kolliderar på en spatial stråldelare och förklarar fenomenet med kvantmekanisk interferens.

Forskarna har nu realiserat en frekvensstråldelare med hjälp av telekommunikationskomponenter och demonstrerar Hong-Ou-Mandel-effekten för första gången mellan två oberoende genererade fotoner i frekvensdomänen. I motsats till andra dimensioner, såsom polarisationen (svängningsplanet för det elektriska fältet) eller fotonens position (spatial lokalisering), frekvensen är mycket mindre mottaglig för störningar. "Vårt tillvägagångssätt tillåter flexibel konfigurerbarhet och tillgång till högdimensionella system, vilket kan leda till storskaliga kontrollerbara kvantsystem i framtiden, " säger Kues. Detta tvåfotoninterferensfenomen kan fungera som en grund för ett kvantinternet, icke-klassisk kommunikation och kvantdatorer. Med andra ord, resultaten skulle kunna användas för frekvensbaserade kvantnät. En annan anmärkningsvärd egenskap hos den nya upptäckten är att denna prestandaökning skulle kunna användas med befintlig infrastruktur, dvs standard fiberoptiska anslutningar för anslutning till internet. Användningen av kvantteknologier hemma skulle alltså teoretiskt kunna göras möjlig i framtiden.

"Jag var mycket glad över att vårt experiment kunde demonstrera Hong-Ou-Mandel-effekten i frekvensdomänen, " säger Khodadad Kashi. Forskaren flyttade till Hannover 2019 efter att ha avslutat sin masterexamen i elektroteknik, med fokus på fotonik vid Iran University of Science and Technology i Teheran. Sedan dess, hon har stärkt Prof. Kues team på sju. Kues har varit professor vid Leibniz University Hannover sedan våren 2019 och forskar om utvecklingen av fotonisk kvantteknologi med hjälp av mikro- och nanofotonik i Cluster of Excellence PhoenixD. I framtiden, Kashi och Kues kommer att fortsätta sin forskning kring ämnet spektral Hong-Ou-Mandel-interferens. "Jag skulle vilja utöka det nuvarande experimentet för att utnyttja den påvisade effekten för kvantinformationsbehandling, säger Khodadad Kashi.