Kuantum bilgi bilimi için yeni nesil tek foton kaynağı

Kuantum bilgi bilimi için yeni nesil tek foton kaynağı
Yazıyı beğendiyseniz lütfen Paylaşın


Kuantum bilgi bilimi için yeni nesil tek foton kaynağı

Kwiat'ın Loomis Fizik Laboratuvarı'ndaki laboratuvarında yapılan deneysel kurulum. Kredi: Siv Schwink / Illinois Üniversitesi Fizik Bölümü

Son yirmi yılda, kuantum bilgi bilimi alanında muazzam ilerlemeler kaydedilmiştir. Bilim adamları, bilişim ve iletişimde ve hassas sistemleri algılamada ve ölçmede zor problemleri çözmek için kuantum mekaniğinin garip doğasından yararlanıyor. Bu alandaki araştırmalardan biri, foton kullanan optik kuantum bilgi işlemesidir – benzersiz kuantum özelliklerine sahip minik ışık parçacıkları.

Kuantum bilgi biliminde araştırmayı ilerleten önemli bir kaynak, tek fotonları verimli ve güvenilir bir şekilde üretebilecek bir kaynak olacaktır. Bununla birlikte, kuantum süreçleri doğal olarak rastgele olduğundan, talep üzerine tek fotonlar üreten bir foton kaynağı oluşturmak her adımda bir zorluk teşkil etmektedir.

Şimdi Illinois Üniversitesi Fizik Profesörü Paul Kwiat ve eski doktora sonrası araştırmacısı Fumihiro Kaneda (şimdi Tohoku Üniversitesi'ndeki Frontier Disiplinlerarası Bilimler Enstitüsü Araştırma Görevlisi Yardımcı Doçenti) Kwiat'ın "dünyanın en verimli tek foton kaynağı" olduğuna inandığını yaptı. Ve hala onu geliştiriyorlar. Planlanan güncellemeler ile, cihaz benzeri görülmemiş verimliliklerde 30 foton üretebilir. Bu kalibrenin kaynakları tam olarak optik kuantum bilgi uygulamaları için gerekli olanlardır.

Araştırmacıların güncel bulguları çevrimiçi olarak yayınlandı. Bilimsel Gelişmeler 4 Ekim 2019’da

Kwiat, "Bir foton en küçük ışık birimidir: Einstein'ın bu kavramı 1905'te ortaya koyması kuantum mekaniğinin şafağını işaret ediyor. Bugün, foton kuantum hesaplama ve iletişimde önerilen bir kaynaktır – benzersiz özellikleri onu mükemmel bir aday kılar kuantum biti veya kibir gibi davran. "

Kaneda, "Fotonlar hızlı hareket ediyor – kuantum hallerinin uzun mesafeli iletimi için mükemmel – ve günlük hayatımızın normal sıcaklığında kuantum olayları gösteriyor" diye ekliyor. "Sıkışmış iyonlar ve süper iletken akımlar gibi, ocaklar için umut vaat eden diğer adaylar, yalnızca izole edilmiş ve aşırı soğuk koşullarda stabildir. Dolayısıyla, talep üzerine olan tek foton kaynaklarının geliştirilmesi, kuantum ağlarının gerçekleştirilmesi için kritik öneme sahiptir ve küçük oda sıcaklığı kuantumunu mümkün kılabilir işlemciler."

Şimdiye kadar, yararlı habercisi olan tek fotonların maksimum üretim verimliliği oldukça düşük olmuştur.

Neden? Kuantum optik araştırmacıları genellikle foton çiftleri üretmek için spontan parametrik aşağı dönüşüm (SPDC) olarak adlandırılan doğrusal olmayan bir optik etki kullanır. Tasarlanmış bir kristalde, milyarlarca foton içeren bir lazer darbesinde, tek bir yüksek enerjili foton bir çift düşük enerjili fotonlara bölünebilir. Bir foton çifti üretmek kritik öneme sahiptir: bu iki taneden biri – onu yok eden – diğerinin varlığını "habercisi", foton kaynağının tek foton çıktısını.

Fakat bu kuantum dönüşümünün bir ila iki fotonlara gerçekleşmesi, her şeye rağmen.

Kwiat, "SPDC bir kuantum sürecidir ve kaynağın hiçbir şey üretmeyeceği ya da bir çift mi, iki çift mi üreteceği kesin değildir." “Tam olarak bir çift foton üretme olasılığı en fazla yüzde 25'tir.”

Tohoku Üniversitesinde Disiplinlerarası Bilimler Frontier Araştırma Enstitüsü'nden Fizik Profesörü Fumihiro Kaneda. Kaneda, Urbana-Champaign'daki Illinois Üniversitesi Fizik Bölümü'ndeki Kwiat grubunda eski bir doktora sonrası araştırmacıdır.

Kwiat ve Kaneda, SPDC'deki bu düşük verimli problemi zaman çoğullama denilen bir teknik kullanarak çözdüler. Her çalıştırma için, SPDC kaynağı eşit aralıklarla 40 kez darbelenir, her biri muhtemelen bir çift foton içeren 40 "zaman kutusu" üretir (bu nadiren böyle olsa da). Bir foton çifti her üretildiğinde, çiftin bir fotonu, kızak fotonunu optik bir gecikme hattında geçici depolamaya yönlendiren bir optik anahtarı tetikler – aynalarla oluşturulan kapalı bir döngü. Fotonun döngüye ne zaman girdiğini bilerek (tetikleyici foton algılandığında), araştırmacılar, fotonları değiştirmeden önce ne kadar döngü tutacağını tam olarak bilirler. Bu şekilde, 40 darbeden hangisi çifti üretse de, depolanan foton her zaman aynı anda bırakılabilir. 40 darbenin tümü gerçekleştikten sonra, depolanan tüm fotonlar, aynı zaman kutusundan gelmiş gibi, birlikte serbest bırakılır.

Kwiat, "Birbirinden farklı zaman olasılıklarını, bütün farklı zaman kutularını bir birine haritalamak – bir şeyi görme olasılığınızı büyük ölçüde artırıyor."

Kaynağın 40 kez atılması, esasen her çalışma için en az bir foton çiftinin üretilmesini garanti eder.

Dahası, fotonların depolandığı gecikme çizgisi döngü başına sadece yüzde 1,2 oranında bir kayıp oranına sahiptir; kaynak birçok kez darbeli olduğundan, düşük bir kayıp oranına sahip olmak çok önemlidir. Aksi takdirde, ilk birkaç darbede üretilen fotonlar kolayca kaybolabilir.

Fotonlar nihayet serbest bırakıldığında, yüksek verimli tek modlu bir fiber optik olarak birleştirilirler. Bu, fotonların kuantum bilgi uygulamalarında faydalı olması için olması gereken durumdur.

Kwiat, bu şekilde foton üreten fotonlardan kaynaklanan verimlilik artışının önemli olduğunu belirtti. Örneğin, bir 12-foton kaynağı için çağrılan bir uygulama altı bağımsız SPDC kaynağını sıraya sokabilir ve her biri aynı anda tek bir çift ürettiğinde bir olayı bekleyebilir.

Kwiat, "Bu çoklu foton durumlarını kullanan şu anda dünyanın en iyi rekabet eden deneyi, böyle bir etkinlik gerçekleşene kadar iki dakika kadar beklemek zorunda kaldı." “Saniyede 80 milyon kere atıyorlar-çok, çok sık deniyorlar-ancak her iki dakikada bir, her kaynağın tam olarak bir foton çifti ürettiği bu olayı elde etmeleri sadece bir dakikada.

“Böyle bir şey üretme ihtimalimizi temel alarak hesaplayabiliriz. Aslında biraz daha yavaş sürüyoruz, bu yüzden sadece her 2 mikrosaniyede bir girişimde bulunuyoruz – deniyorlar 160 sık sık – ama verimliliğimiz çoklama kullanarak çok daha yüksek olduğu için, aslında saniyede 4.000 12-foton olayı gibi bir şey üretebilirdik. ”

Başka bir deyişle, Kwiat ve Kaneda'nın üretim oranı yaklaşık 500.000 kat daha hızlıdır.

Bununla birlikte, Kwiat'ın belirttiği gibi, birkaç problemin çözülmesi gerekmektedir. Bir sorun, aşağı dönüşüm sürecinin rastgele doğasından kaynaklanmaktadır: tek bir foton çifti yerine, birden fazla foton çiftinin üretilebilme olasılığı vardır. Ayrıca, bu deneyde kullanılan aşağı dönüşüm işlemi göreceli olarak yetersiz olduğu için, kaynak daha yüksek bir hızda "sürüldü" ve bu gibi istenmeyen çoklu çiftlerin üretilme olasılığını arttırdı.

Potansiyel çoklu foton olaylarını hesaba katsanız bile, bu deneyin verimi bir dünya rekoruydu.

Peki sırada ne var ve Kwiat ekibi bu nadir görülen istenmeyen çoklu fotoğraf olaylarını nasıl ele alacak?

Kwiat'ın araştırma grubunda çalışan bir yüksek lisans öğrencisi olan Colin Lualdi, gecikme çizgisi onları depolamak için tetiklenmeden önce çoklu foton olaylarını atacak olan foton sayı çözen dedektörlerle kaynağın yükseltilmesi üzerinde çalışıyor. Bu gelişme, çoklu fotoğraf olayını tamamen ortadan kaldıracaktır.

Kwiat'ın ekibi için devam etmekte olan bir başka araştırma alanı da tek foton kaynaklı cihazın bireysel parçalarının verimliliğini artıracak. Lualdi gelecekteki gelişmelerin tek foton üretim oranını mevcut deneylerin çok ötesine taşıyacağına inanıyor.

Lualdi, "Nihai amaç, klasik yaklaşımları aşacak şekilde bilgileri kodlamak ve işlemek için kullanabileceğimiz tek saf kuantum durumları hazırlayabilmek" dedi. “Bu yüzden bu kaynakların tek fotonlar üretmesi o kadar zorunludur. Eğer kaynak beklenmedik bir şekilde bir tane yerine iki foton üretiyorsa, o zaman ihtiyacımız olan temel yapı taşına sahip değiliz.”

Ve bu fotonik karbitler ile her türlü anlamlı kuantum bilgi işlemesini yapabilmek için büyük bir tedarik gereklidir.

Kwiat'ın belirttiği gibi, "Alan sadece bir veya iki foton ile deneylerin ötesine geçiyor. İnsanlar şimdi 10 ila 12 foton üzerinde deney yapmaya çalışıyorlar ve sonunda 50 ila 100 foton almak istiyoruz."

Kwiat, bu çalışmada yapılan iyileştirmelerin, yüksek verimlilikte 30'un üzerinde foton üretme kapasitesine yol açabileceğini ileri sürüyor. Kwiat ve Kaneda'nın sonuçları bizi optik kuantum bilgisini gerçeğe dönüştürmeye bir adım daha yaklaştırdı.


Araştırmacılar, ilk üç foton renk dolaşmış W durumunu oluşturuyor


Daha fazla bilgi:
"Büyük ölçekli aktif zaman çoklama ile yüksek verimli tek foton üretimi" DOI: 10.1126 / sciadv.aaw8586, https://advances.sciencemag.org/content/5/10/eaaw8586

Tarafından sunulan
Urbana-Champaign'deki Illinois Üniversitesi


Alıntı:
                                                 Kuantum bilgi bilimi için yeni nesil tek foton kaynağı (2019, 4 Ekim)
                                                 5 Ekim 2019 tarihinde alındı
                                                 https://phys.org/news/2019-10-next-generation-single-photon-source-quantum-science.html adresinden

Bu belge telif haklarına tabidir. Özel çalışma veya araştırma amacıyla yapılan herhangi bir dürüst işlem dışında,
                                            Bölüm, yazılı izin olmadan çoğaltılabilir. İçerik sadece bilgi amaçlıdır.



Kaynak

admin

Talebemektebi bir sevdanın hikayesi

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir