Nowy konwerter przybliża sieci kwantowe oparte na jonach w pułapkach

Chińscy badacze zbudowali układ, który zamienia ultrafioletowe fotony na światło o długości fali dobrze znoszonej przez światłowody. To krok w stronę łączenia na większe odległości urządzeń kwantowych opartych na uwięzionych jonach. Wyniki opisano w czasopiśmie „Physical Review Letters”.

Dlaczego ultrafiolet jest kłopotliwy

Sieci kwantowe mają umożliwiać bezpieczniejszą i sprawniejszą wymianę informacji. Zwykle buduje się je z nieruchomych kubitów, czyli jednostek informacji kwantowej zapisanych na przykład w uwięzionych jonach. Kubity łączy się za pomocą fotonów przesyłanych światłowodami.

Część układów służących jako kubity emituje jednak światło ultrafioletowe, o długościach fali od około 100 do 400 nanometrów. Światłowody przenoszą takie promieniowanie bardzo słabo. Tymczasem jony uwięzione w pułapkach są uznawane za jedną z wiodących platform dla skalowalnych sieci kwantowych, bo mają długie czasy koherencji i pozwalają na precyzyjne sterowanie.

Jak działa nowy konwerter

Rozwiązaniem jest kwantowa konwersja częstotliwości. Zmienia ona częstotliwość fotonu, ale zachowuje zapisaną w nim informację kwantową. Jak mówi Qiang Zhang, współautor pracy: „Dotychczasowe konwertery cierpiały zwykle na niską wydajność i duży szum”. Z tego powodu splątanie w tym zakresie fal udawało się rozprowadzać tylko na odległość rzędu metrów.

Zespół z Uniwersytetu Nauki i Technologii Chin, Jinan Institute of Quantum Technology i innych ośrodków oparł urządzenie na cienkiej warstwie niobianu litu. To kryształ umożliwiający oddziaływanie fal świetlnych o różnej długości. Materiał uformowano w falowód, który zamyka światło i prowadzi je wzdłuż układu.

• Silna wiązka pompująca ma długość fali 527 nm.
• Padający foton ultrafioletowy (393 nm) rozdziela się na foton telekomunikacyjny (1550 nm) i foton 527 nm.
• Całość odbywa się w ośrodku nieliniowym, a o powodzeniu decydują wydajność konwersji i szum wywołany przez pompę.

Badacze wykonali setki egzemplarzy chipa i wybrali jeden z najlepszych. Włączyli go do układu optycznego, w którym soczewki kierują światło w wolnej przestrzeni do chipa i z niego. Następnie połączyli moduł z systemem jonów wapnia ⁴⁰Ca⁺.

Co udało się osiągnąć

Zewnętrzna wydajność konwersji fotonów wyniosła 28,8%, przy uwzględnieniu strat optycznych w module. Szum tła sięgnął 35 zliczeń na sekundę. Przy bardzo niskim tempie wzbudzania pozwoliło to uzyskać wysoki stosunek sygnału do szumu.

Autorzy opracowali też model matematyczny, który przewiduje, jak niedoskonałości w obszarach o odwróconej polaryzacji kryształu obniżają wydajność konwersji. Opisali ponadto nowy sposób ograniczania szumu przy pompowaniu krótką falą. Ich zdaniem metody te mogą się przydać także w innych układach konwersji i w fotonice nieliniowej.

W planach jest dalsze wykorzystanie interfejsu 393 nm oraz przeniesienie metod poprawy wydajności i tłumienia szumu na inne jony: ¹⁷¹Yb⁺, ⁸⁸Sr⁺ i ¹³⁸Ba⁺.

Co to oznacza w praktyce

Długość fali 1550 nm leży w paśmie telekomunikacyjnym, w którym działają światłowody. Dlatego taka konwersja pozwala w zasadzie korzystać z infrastruktury podobnej do tej, którą znamy z sieci internetowych, także w Polsce i w Unii Europejskiej. Na razie to jednak wynik laboratoryjny. Układ korzysta z przesyłu światła w wolnej przestrzeni, a przekształca się niecałą jedną trzecią fotonów.

Zwykły użytkownik nie zauważy więc żadnej zmiany w domowym internecie ani w urządzeniach. Praca pokazuje natomiast, że jeden z poważnych problemów technicznych sieci kwantowych można ograniczać. W dłuższej perspektywie takie rozwiązania mogą pomóc w budowie łączy kwantowych między odległymi węzłami, ale od eksperymentu do usługi komercyjnej jest jeszcze daleko.

Źródło: Phys.org – „New converter could bridge light wavelength gap in quantum communications”