Naukowcy z Uniwersytetu Paderborn dokonali właśnie ogromnego postępu w dziedzinie optyki kwantowej. Zgodnie z doniesieniami opublikowanymi w prestiżowym periodyku naukowym Optica, badacze stworzyli kriogeniczny układ umożliwiający manipulowanie pojedynczymi fotonami z niespotykaną dotąd prędkością. Już teraz wiadomo, że to przełomowe osiągnięcie może znacząco przyspieszyć rozwój technologii kwantowych — w tym bezpiecznej komunikacji, symulacji kwantowych oraz systemów przetwarzania informacji.
Fotony — elementarne cząstki światła — stanowią podstawowe nośniki informacji we wszystkich układach kwantowych. Kluczowym mechanizmem pozwalającym na kontrolowanie ich jest swoiste sprzężenie zwrotne. Chodzi tu o proces, w którym stan fotonu jest mierzony, a wynik tego pomiaru wykorzystywany natychmiast do modyfikowania kolejnych impulsów światła. Dotychczas jednak technika ta była ograniczona przez opóźnienia w przetwarzaniu sygnału. Czas pomiędzy wykonaniem pomiaru a manipulacją fotonami był na tyle długi, że znacząco utrudniał stosowanie tej metody w praktyce.
Czytaj także: Tak wyglądają splątane fotony. Ten symbol przyspieszy komputery kwantowe
Zespół fizyków z Paderborn pokonał właśnie to ograniczenie tworząc ultrawydajny obwód działający w temperaturach kriogenicznych. Układ ten redukuje opóźnienia sprzężenia zwrotnego do mniej niż jednej czwartej nanosekundy (czyli mniej niż miliardowa część sekundy). W układzie tym zastosowano nadprzewodzące detektory fotonów, elektronikę niskotemperaturową i specjalistyczne obwody optyczne pracujące w temperaturach zbliżonych do zera absolutnego.
Jak dowiadujemy się z artykułu, to właśnie nadprzewodzące detektory jednofotonowe umożliwiają swoisty przełom. Są one bowiem zdolne do wykrywania pojedynczych cząstek światła z niespotykaną dotąd precyzją.
Dzięki temu, że zostały one zintegrowane z elektroniką kriogeniczną, np. szybkimi wzmacniaczami sygnału i modulatorami optycznymi, które nie generują żadnych szumów termicznych, możemy osiągnąć wysoką czułość i niezwykłą precyzję działania.
Wspomniane wyżej modulatory w czasie rzeczywistym dostosowują tor i charakterystykę propagacji fotonów na podstawie danych pomiarowych zbieranych w czasie rzeczywistym. Wykorzystując pary splątanych fotonów, układ może natychmiast zdecydować, czy dany impuls świetlny powinien zostać przesłany dalej, czy zablokowany. Dzięki kompaktowej i zintegrowanej architekturze, urządzenie ogranicza do minimum zarówno fizyczne straty, jak i opóźnienia przetwarzania.
Czytaj także: Naukowcy odtworzyli kształt pojedynczego fotonu. Po raz pierwszy w historii
Warto tutaj podkreślić także, że cały układ jest niezwykle energooszczędny. Cały układ nadaje się idealnie do pracy w specjalnych naczyniach chłodzących używanych w eksperymentach nad technologiami kwantowymi, m.in. dzięki temu, że generuje on naprawdę niewiele ciepła.
Łącząc nadprzewodniki i półprzewodniki w warunkach temperatur bliskich zera absolutnego, naukowcy praktycznie stworzyli nowy standard kontroli kwantowej fotonów. Można śmiało powiedzieć, że osiągnięcie to otwiera drogę do stworzenia jeszcze szybszych i bardziej złożonych układów kwantowych, których zastosowania mogą być wielorakie. Już teraz naukowcy wskazują na praktyczne możliwości zastosowania swojego odkrycia w badaniach nad obliczeniami kwantowymi, kryptografią, czy w zaawansowanych systemach komunikacji.
Możliwe, że jesteśmy świadkiem przyspieszenia badań w dziedzinie fotoniki kwantowej, która w najbliższych latach i dekadach może zrewolucjonizować nasze życie na wielu poziomach.