Разноцветные фотоны могут помочь развитию квантовой информатики

Благодаря тому, что ведущие корпорации инвестируют в дорогостоящие и сложные инфраструктуры для того чтобы развить потенциал квантовых технологий, исследователи из НИИ при университете Квебека (INRS) сделали прорыв в простой фотонной системе. Она была создана при помощи встроенных устройств и готовых телекоммуникационных компонентов. В своей публикации, опубликованной в Nature, исследователи продемонстрировали, что фотоны могут стать доступным и мощным ресурсом при генерации в виде цветных кудитов.

В самой системе используется небольшой но экономически эффективный фотонный чип, созданный с помощью процессов, аналогичных в обычной фотолитографии. С помощью микрокольцевого резонатора на кристалле, возбуждаемого лазером, фотоны начинают испускаться парами, которые имеют сложное квантовое состояние. Фотоны излучаются таким образом, что каждый несет в себе множество частотных составляющих: фотоны имеют несколько цветов одновременно, а цвета каждого фотона в паре связаны (запутаны) независимо от их расстояния после разделения.

С каждой частотой или цветом, представляющие собой измерение, фотоны генерируются на кристалле в виде многоразмерного квантового состояния (кудит). В настоящее время квантовая информатика в основном сосредоточена на использовании кубитов на основе двумерных систем, в которых два состояния накладываются (например, 0 И 1 одновременно, в отличие от классических бит, которые равны 0 ИЛИ 1 в любой момент). Работа в частотной области допускает суперпозицию многих состояний (например, многоразмерный фотон может быть красного и желтого и зеленого и синего цвета, хотя используемые здесь фотоны являются инфракрасными — для обеспечения телекоммуникационной совместимости), увеличивая тем самым объем информации в одиночном фотоне.

На сегодняшний день профессор Роберто Морандотти, возглавляющий исследовательскую группу INRS, реализовал квантовую систему с не менее чем ста измерениями. С помощью подобного подхода разработанная технология легко расширяется для создания двух — кудитных систем с более чем 9000 измерениями (соответствует 12 кубитам и более, сопоставимым с уровнем техники на значительно более дорогих или сложных платформах).

Использование частотной области для таких квантовых состояний позволяет легко их передавать и манипулировать в оптических волоконных системах.

«Объединив области квантовой оптики и сверхбыстрой оптической обработки, мы показали, что многоразмерные манипуляции с этими состояниями действительно возможны за счет стандартных телекоммуникационных элементов, таких как модуляторы и частотные фильтры», - подчеркивает эксперт по телекоммуникационным системам профессор Хосе Азана, со-руководитель проведенных исследований.

До сих пор успехи в создании технологий для телекоммуникационного сектора были направлены на манипулирование классическими сигналами. Это исследование было своего рода игровым соревнованием. Достижения могут быть немедленно перенесены в квантовую науку и будут непосредственно способствовать фундаментальным исследованиям многоразмерных характеристик квантового состояния, приложений в квантовых коммуникациях на основе большего набора волоконной оптики и будущего развития высокочастотных логических вентилей и других приложений.

Ведущие авторы Майкл Кус и Кристинан Раймер отмечают, что основным моментом продемонстрированной платформы является ее доступность: ее легко собрать и использовать компоненты, используемые в стандартных телекоммуникационных системах, которые коммерчески доступны повсюду. Таким образом, в ближайшей перспективе исследователи со всего мира смогу внедрить и продвинуть эту технологию.

Пояснение к изображениям:

На изображении 74_1 показаны многоразмерные цветные фотоны, передаваемые с помощью телекоммуникационных систем. Внизу слева — фотонный чип с нелинейной микрогравитацией, используемой для генерирования цветных фотонных пар. Справа — фотонный чип соединен с оптическим волокном, который позволяет манипулировать квантовыми состояниями с помощью стандартных компонент.

На изображении 74_2 (Figure 1) показана экспериментальная схема для генерирования многоразмерных фотонных состояний.

На изображении 74_3 показаны характеристики квантовых состояний.

Остальные изображения и комментарии смотрите в статье (74).

Оригинал статьи прикреплен к записи.

Источник:

https://phys.org/news/2017-06-multi-colored-photons-quantum-science.html

Источник: phys.org

Комментарии: