Installation av en optisk resonator i vakuum. En enda rubidiumatom är fångad mellan de koniskt formade speglarna inuti hållaren. Kredit:MPQ
Fysiker vid Max Planck Institute of Quantum Optics har lyckats trassla in mer än ett dussin fotoner effektivt och på ett definierat sätt. De skapar alltså en grund för en ny typ av kvantdatorer. Deras studie publiceras i Nature .
Kvantvärldens fenomen, som ofta verkar bisarra ur den vanliga vardagsvärldens perspektiv, har sedan länge letat sig in i tekniken. Till exempel intrassling:en kvantfysisk koppling mellan partiklar som förbinder dem på ett konstigt sätt över godtyckligt långa avstånd. Den kan användas till exempel i en kvantdator - en dator som, till skillnad från en konventionell dator, kan utföra många matematiska operationer samtidigt. Men för att kunna använda en kvantdator lönsamt måste ett stort antal intrasslade partiklar samverka. De är grundelementen för beräkningar, så kallade qubits.
"Fotoner, ljuspartiklarna, är särskilt väl lämpade för detta eftersom de är robusta till sin natur och lätta att manipulera", säger Philip Thomas, doktorand vid Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) i Garching nära München. Tillsammans med kollegor från Quantum Dynamics Division ledd av Prof. Gerhard Rempe har han nu lyckats ta ett viktigt steg mot att göra fotoner användbara för tekniska tillämpningar som kvantberäkning:För första gången genererade teamet upp till 14 intrasslade fotoner i ett definierat sätt och med hög effektivitet.
En atom som fotonkälla
"Knepet med det här experimentet var att vi använde en enda atom för att sända ut fotonerna och väva samman dem på ett mycket specifikt sätt", säger Thomas. För att göra detta placerade Max Planck-forskarna en rubidiumatom i mitten av en optisk kavitet - en slags ekokammare för elektromagnetiska vågor. Med laserljus av en viss frekvens kunde atomens tillstånd adresseras exakt. Med hjälp av en extra kontrollpuls utlöste forskarna också specifikt emissionen av en foton som är intrasslad med atomens kvanttillstånd.
Experimentell uppställning med vakuumkammare på ett optiskt bord. Kredit:MPQ
"Vi upprepade den här processen flera gånger och på ett tidigare bestämt sätt", rapporterar Thomas. Däremellan manipulerades atomen på ett visst sätt – på teknisk jargong:roterades. På så sätt var det möjligt att skapa en kedja av upp till 14 lätta partiklar som intrasslades med varandra av atomrotationerna och fördes till ett önskat tillstånd. "Såvitt vi vet är de 14 sammankopplade ljuspartiklarna det största antalet intrasslade fotoner som har genererats i laboratoriet hittills", säger Thomas.
Deterministisk genereringsprocess
Men det är inte bara mängden intrasslade fotoner som markerar ett stort steg mot utvecklingen av kraftfulla kvantdatorer – sättet de genereras på skiljer sig också mycket från konventionella metoder. "Eftersom kedjan av fotoner uppstod från en enda atom, kunde den produceras på ett deterministiskt sätt", förklarar Thomas. Det betyder:i princip levererar varje kontrollpuls faktiskt en foton med önskade egenskaper. Hittills har sammantrasslingen av fotoner vanligtvis ägt rum i speciella, icke-linjära kristaller. Bristen:där skapas ljuspartiklarna i huvudsak slumpmässigt och på ett sätt som inte går att kontrollera. Detta begränsar också antalet partiklar som kan buntas till ett kollektivt tillstånd.
Installation av en optisk resonator i vakuum. En enda rubidiumatom är fångad mellan de koniskt formade speglarna inuti hållaren. Kredit:MPQ
Metoden som används av Garching-teamet tillåter å andra sidan att i princip hur många intrasslade fotoner som helst kan genereras. Dessutom är metoden särskilt effektiv – en annan viktig åtgärd för eventuella framtida tekniska tillämpningar:"Genom att mäta den producerade fotonkedjan kunde vi bevisa en verkningsgrad på nästan 50 %", säger Philip Thomas. Detta betyder att nästan varannan "knapptryckning" på rubidiumatomen levererade en användbar ljuspartikel - mycket mer än vad som har uppnåtts i tidigare experiment. "Allt som allt tar vårt arbete bort ett långvarigt hinder på vägen mot skalbar, mätningsbaserad kvantberäkning", säger avdelningsdirektör Gerhard Rempe.
Mer utrymme för kvantkommunikation
Forskarna vid MPQ vill ta bort ännu ett hinder. Komplexa beräkningsoperationer skulle till exempel kräva minst två atomer som fotonkällor i resonatorn. Kvantfysikerna talar om ett tvådimensionellt klustertillstånd. "Vi arbetar redan med att ta oss an denna uppgift", säger Philip Thomas.
Max Planck-forskaren framhåller också att möjliga tekniska tillämpningar sträcker sig långt bortom kvantberäkning:"Ett annat applikationsexempel är kvantkommunikation" – den tappsäkra överföringen av information, till exempel genom ljus i en optisk fiber. Där upplever ljuset oundvikliga förluster under dess utbredning på grund av optiska effekter som spridning och absorption – vilket begränsar det avstånd över vilket data kan transporteras. Med den metod som utvecklats i Garching kunde kvantinformation paketeras i intrasslade fotoner och även överleva en viss mängd ljusförluster – och möjliggöra säker kommunikation över större avstånd. + Utforska vidare
