За последние два десятилетия, огромные успехи были достигнуты в области квантовой информатики. Ученые спекулируя на странный характер квантовой механики для решения сложных проблем вычислительной техники и коммуникаций, а также в области измерений и измерительных систем нежный. Одним из направлений исследований в этой области оптической квантовой обработки информации, которая использует фотонов-мельчайших частиц света, которые имеют уникальные квантовые свойства.
Одним из основных ресурсов для развития исследований в области квантовой информатики может стать источником, которые могли бы эффективно и надежно производить одиночные фотоны. Однако, поскольку квантовые процессы являются по своей природе случайными, создание источника фотона, который производит одиночные фотоны по требованию представляет собой вызов на каждом шагу.
Сейчас университет профессор физики Иллинойс Павел Квят и его бывший постдок Fumihiro Канеда (сейчас доцент в пограничный научно-исследовательский институт междисциплинарных наук в Университете Тохоку) строили, что Квят считает «самой эффективной в мире однофотонного источника». И до сих пор улучшают. С запланированной модернизацией, аппарат может генерировать свыше 30 фотонов в беспрецедентной эффективности. Источники такого калибра-это именно то, что нужно для квантовых оптических информационных приложений.
Текущие выводы исследователей были опубликованы в науке авансы на 4 октября 2019 года.
Квят объясняет: «фотон является самой малой единицей измерения света: введение Эйнштейном понятия этой концепции в 1905 году явилось началом квантовой механики. Сегодня, фотон предложенный ресурс в квантовых вычислениях и коммуникации — его уникальные свойства делают его отличным кандидатом, чтобы служить в качестве квантового бита, или кубита.»
«Фотоны двигаться быстро-идеально подходит для долго-расстояние передачи квантовых состояний … и проявляют квантовые явления при обычной температуре из нашей повседневной жизни», — добавляет Канеда. «Других перспективных кандидатов для кубитов, например, ионов в ловушке и сверхпроводящие токи, только стабильный в изолированных и экстремально холодных условиях. Поэтому развитие по требованию однофотонных источников имеет решающее значение для реализации квантовых сетей и мог бы позволить небольшим комнатной температуре квантовые процессоры.»
На сегодняшний день, максимальная эффективность генерации полезных возвестил одиночных фотонов было достаточно низким.
Почему? Исследователи квантовой оптике часто используют нелинейный оптический эффект под названием спонтанного параметрического рассеяния (СПР) для создания фотонных пар. В разработанный Кристалл, в течение лазерного импульса, содержащего миллиарды фотонов, одного фотона высокой энергии можно разделить на пару низкоэнергетических фотонов. Очень важно, чтобы произвести пары фотонов: один из двух получает обнаружено … который разрушает ее «вестник» существование другого, однофотонная выход источника фотонов.
Но что делать квантовые преобразования из одного в два фотона произойдет вопреки всему.
«ГСМР-это квантовый процесс, и неясно, является ли источник ничего не производят, или одна пара, или две пары,» Квят ноты. «Вероятность получения ровно одна пара одиночных фотонов составляет более 25 процентов».
Профессор физики Fumihiro Канеда пограничного научно-исследовательского института междисциплинарных наук в Университете Тохоку. Канэда-бывший научный сотрудник группы Квят на кафедре физики, Университет штата Иллинойс в Урбана-Шампейн.
Квят и Канеда решила эту проблему низкой эффективности в ГСМР, используя метод, называемый мультиплексированием по времени. Для каждого запуска, ГСМР увеличивающих 40 раз через равные интервалы, производя 40 «время,» каждая из которых, возможно, содержащий пары фотонов (хотя это было крайне редко). Каждый раз, когда производится фотона пары, один фотон из пары триггеров оптический переключатель, который направляет сестра фотона на временное хранение в оптической линии задержки — замкнутый контур, созданный с зеркалами. Зная, когда фотон вошел в петлю (когда триггер фотона был обнаружен), исследователи точно знать, сколько циклов провести фотон, прежде чем они его подменить. Таким образом, независимо от того, какой из 40 импульсов, производимых пара, хранимой фотон всегда могут быть выпущены одновременно. После того, как все 40 импульсов произошло, любых сохраненных фотонов будут выпущены вместе, как будто они вышли из одного времени, Бен.
Квят комментарии, «сопоставление кучу разных возможностей, у всех разное время, к одному-это значительно повышает вероятность того, что вы сможете увидеть что-то.»
Пульсирующий источник в 40 раз, по сути, гарантирует, что как минимум один фотон пары производится для каждого запуска.
Более того, линии задержки, что фотоны хранятся в имеет скорость потери только на 1,2% за один цикл; потому что источник импульсного столько раз, имеют низкий коэффициент потерь имеет решающее значение. В противном случае, фотонами, образующимися в первые несколько импульсов могут быть легко потеряны.
Когда фотоны будут, наконец, освобождены, они соединены в одномодовых оптических волокна с высокой эффективностью. Это состояние, которое фотоны должны быть полезными в квантовых информационных приложений.
Квят указывает на увеличение эффективности генерации фотонов в такой форме является значительным. Если, например, приложение на 12-фотонного источника, можно выстроить шесть независимых источников ГСМР и ждать события, когда каждый из них одновременно производится одной пары.
«Лучше конкурировать эксперимент в мире на данный момент, используя эти несколько состояний фотона пришлось ждать около двух минут, пока они не добрались одном таком мероприятии», — отмечает Квят. «Они пульсируют в 80 миллионов раз в секунду, они стараются очень, очень часто … но это только примерно раз в две минуты, что они получают это мероприятие, на котором каждый источник производит ровно один фотон пары.
«Мы можем рассчитать процент вероятности, что мы сможем производить что-то подобное. Мы вообще-то за рулем совсем немного медленнее, так что мы только делаем попытки каждые 2 микросекунды — они пытаются его 160 раз так часто … но ведь эффективность нашей работы намного выше, используя мультиплексирование, мы были бы в состоянии произвести нечто вроде 4,000 12-фотонных событий в секунду.»
Другими словами, Квят и скорость производства Канеда составляет около 500 000 раз быстрее.
Однако, как отмечает Квят, некоторые проблемы остаются нерешенными. Один вопрос вытекает из случайный характер рассеяния процесс: есть шанс, что вместо одного фотона пары, несколько пар фотонов может быть произведено. Кроме того, поскольку вниз-процесс преобразования, используемые в данном эксперименте была относительно неэффективной, источник был «гонят» на более высокий уровень, увеличивая вероятность того, что такие нежелательные нескольких пар не будет создано.
Даже с учетом потенциальных многофотонные события, уровня эффективности данного эксперимента был мировой рекорд.
Так что дальше, и как команда адрес Квят эти редкие нежелательные события многофотонной?
Колин Lualdi, действующий аспирант, занимающихся исследовательской группы Квят, в настоящее время работает на модернизацию источника с ФОТ-кол-разрешение детекторов, что бы отбросить событий многофотонной до линии задержки срабатывает для их хранения. Эти улучшения могут устранить проблему событий многофотонной.
Другой областью исследований для команды Квят будет повышать эффективность отдельных частей однофотонного источника аппарата. Lualdi считает дальнейшее совершенствование будет толкать курс однофотонной производства далеко за пределы текущего эксперимента.
«Конечной целью является, чтобы иметь возможность подготовить один чисто квантовые состояния, которые мы можем использовать для кодирования и обработки информации в целях, которые превосходят классические подходы», — объясняет Lualdi. «Вот почему так важно, чтобы эти источники производят одиночные фотоны. Если источник неожиданно порождает два фотона вместо одного, то мы не имеем базовый строительный блок, который нам нужен.»
И для того, чтобы быть в состоянии выполнить какой-либо осмысленной квантовой обработки информации с этих фотонных кубитов, нужен большой запас есть.
Как Квят ставит его, «поле выходя за рамки экспериментов с одним или двумя фотонами. Люди сейчас пытаются делать эксперименты на 10 до 12 фотонов, и в конечном итоге мы хотели бы иметь от 50 до 100 фотонов.»
Квят экстраполирует, что улучшения делаются на Эта работа может проложить путь к способности генерировать более 30 фотонов при высокой эффективности. Квят и результаты Канеда перешли мы на один шаг ближе к созданию оптических квантовых обработки информации в реальность.
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!