Ein Forschungsteam der Abteilung für Physik und Astronomie der Universität von Iowa hat kürzlich eine neue theoretische Lösung vorgeschlagen, die den von Quantenlichtquellen aus der Quelle abgegebenen Photonenfluss „reinigen“ soll und so den Weg für effizientere und sicherere Photonen-Quantenberechnung und Quantenkommunikation ebnet.
In der bestehenden Photonenquantentechnologie bilden Einzelphotonenquellen den Kern von Quantenschaltkreisen, doch die Erzielung stabiler und reiner Einzelphotonenflüsse war schon immer mit zwei großen technischen Engpässen verbunden. Die erste ist die Laserstreuung: In Experimenten werden Atome normalerweise mit Lasern bestrahlt, um sie zur Emission von Photonen anzuregen. Gleichzeitig werden jedoch zusätzliche gestreute Photonen eingeführt, was einem „Streustrom“ im optischen Schaltkreis gleichkommt und die Systemeffizienz verringert. Das zweite Problem ergibt sich aus den sporadischen Multiphotonen-Emissionsereignissen der Atome selbst. Wenn die Atome mehrere Photonen gleichzeitig freisetzen, wird der Photonenfluss, der „in einer einzigen Reihe passieren“ sollte, unterbrochen, was die Genauigkeit und Kontrollierbarkeit des optischen Quantenschaltkreises schwächt.
Das wichtigste Ergebnis der Studie ist, dass, wenn Atome gelegentlich Multiphotonen emittieren, die spektrale Farbverteilung und Wellenform dieser Multiphotonen dem Laserlicht selbst, das sie anregt, sehr ähnlich sind. Diese Ähnlichkeit führte die Forscher zu der Erkenntnis, dass sie die Laserstreuung, eine Komponente, die ursprünglich als „Rauschen“ galt, aktiv nutzen können. Durch Feinsteuerung können Laserstreulicht und Multiphotonenemission räumlich und phasenmäßig miteinander interferieren und dadurch unnötige überschüssige Photonen auslöschen. Das vom Forscherteam vorgelegte theoretische Modell zeigt, dass dieser „Rauschassistent“ unter geeigneten Bedingungen Mehrphotonenkomponenten erheblich unterdrücken und eine reinere Einzelphotonenausgabe beibehalten kann.
Beim Photonen-Quantencomputing werden Informationen von Qubits wie Photonen übertragen. Im Vergleich zu herkömmlichen elektronischen Bits bieten Photonen Vorteile hinsichtlich Geschwindigkeit, Übertragungsverlust und Entstörung. Daher werden sie von vielen Start-ups als einer der wichtigen technischen Wege für zukünftiges Quantencomputing und Quantenkommunikation angesehen. Die Steuerbarkeit und Reinheit von Einzelphotonenquellen stehen in direktem Zusammenhang mit der Skalierbarkeit und Sicherheit des Systems: Geordnete Einzelphotonenströme erleichtern nicht nur die groß angelegte Leitungsintegration, sondern verringern auch das Risiko, dass Informationen während der Übertragung abgehört oder manipuliert werden.
Ravitej Uppu, korrespondierender Autor der Arbeit und Assistenzprofessor am Fachbereich Physik und Astronomie der Universität Iowa, wies darauf hin, dass durch die Steuerung von Parametern wie dem Einfallswinkel und der Strahlform der Laserbestrahlungsatome überschüssige Photonen theoretisch genau ausgeglichen werden können, wodurch der verbleibende Photonenfluss „sehr rein“ wird. Die Forschung überwindet theoretisch die beiden größten Hindernisse der Laserstreuung und der Mehrphotonenemission und gilt als wichtiger Schritt zur Beschleunigung von Photonenquantenschaltkreisen und zur Förderung einer neuen Generation von Quantencomputern und sicheren Kommunikationsnetzwerken. Im nächsten Schritt plant das Team, diese Theorie im Labor zu verifizieren und einen praktikablen technischen Implementierungspfad für zukünftige photonische Quantengeräte bereitzustellen.
Berichten zufolge wurde die Forschung mit dem Titel „Noise-Assisted Single-Photon Source Purification“ in der Zeitschrift Optica Quantum veröffentlicht und vom Büro des Unterstaatssekretärs für Verteidigung für Forschung und Technik und dem Büro des Vizepräsidenten für Forschung der Universität Iowa finanziert. Die Forscher sagten, wenn die experimentelle Verifizierung reibungslos verläuft, wird erwartet, dass diese Idee auf eine Vielzahl von Photonen-Quantenplattformen angewendet wird und neue technische Werkzeuge für den Aufbau von Quantennetzwerken mit hoher Wiedergabetreue bereitgestellt werden.
Zusammengestellt von /ScitechDaily