Можно ли использовать квантовую оптику для практических приложений? Многое зависит от того, удастся ли собрать большое количество фотонов в квантовом состоянии.
Среди всех квантовых систем фотоны известны своим слабым взаимодействием , которое позволяет достичь длительного времени когерентности даже при комнатной температуре , что делает их подходящими для передачи квантовых битов (также известных как «кубиты») между удаленными точками. Однако слабое взаимодействие фотонов ограничивает генерацию квантовых состояний, известных как многофотонные состояния кубита, или « состояния N -фотонов ». Генерация N -фотонных состояний остается фундаментальной проблемой в области квантовой оптики.
Как сообщается в Advanced Photonics Nexus , исследователи из Нанкинского университета предложили первую схему, которая, в принципе, может практически детерминистически генерировать N -фотонное состояние — так что удвоение числа фотонов происходит со 100-процентной эффективностью — с неограниченным количеством фотонов . Схема экспериментально осуществима с учетом практических возможностей материала с использованием платформы ниобата лития на изоляторе (LNOI), которая обеспечивает сверхсильное χ (2) нелинейное взаимодействие.
В представленной схеме ключевым компонентом является блок удвоения числа фотонов (PDU), который может удваивать число фотонов, сохраняя при этом неизменным спектр. В PDU наиболее сложной частью является детерминированное преобразование из однофотонного в двухфотонное. Это было предложено и теоретически изучено раньше, но только с допущением идеального χ (2) или χ (3) материала. Основываясь на практических параметрах материала, исследователи предложили первую экспериментально осуществимую схему процесса PDU.
Команда показывает, что PDU является универсальным для генерации состояний N — кубитов для различных приложений квантовых технологий, предлагая в качестве примеров конструкции на кристалле для N — фотонного состояния Фока, состояния кластера и состояния GHZ.
Их схема включает детерминированное параметрическое преобразование с понижением частоты (DPDC) в высокодобротном микрокольцевом резонаторе LNOI. Сочетая сверхвысокую нелинейность платформы LNOI и эффект расширения полости резонатора, DPDC может быть достигнут с помощью микрокольца с добротностью 10 7 , что находится в пределах текущих ограничений изготовления и экспериментов.
Помимо DPDC, для масштабируемости в PDU необходимо детерминированное параметрическое преобразование с повышением частоты (DPUC) для обратного преобразования частоты фотонов в частоту накачки. Они показывают, что это может быть достигнуто с мощностью на уровне милливатт в схеме LNOI.
В качестве первой экспериментально осуществимой схемы генерации детерминированного N -фотонного состояния с учетом практических параметров материала работа дает важные рекомендации для фактической реализации состояний с большим числом фотонов в будущем. По словам старшего автора Женды Се, профессора Школы электронных наук и инженерии Нанкинского университета, «состояние большого числа фотонов считается одной из конечных целей физиков в области квантовой оптики и квантовой информации. достижения цели.»
Се добавляет: «Такое детерминированное однофотонное взаимодействие, основанное на LNOI, может использоваться не только для генерации фотонов, но и для манипулирования фотонами для реализации квантовых вентилей, квантового хранения и т. д., чтобы продвигать развитие квантовых вычислений, квантовой связи, и общая квантовая информационная технология».
Команда ожидает, что их оптический подход к квантовой информации вызовет интерес и побудит коллег-исследователей на самом деле продемонстрировать его.
