Specjalistom z Uniwersytetu w Bazylei, Uniwersytetu w Paderbornie oraz Uniwersytetu Ruhry w Bochum udało się wyraźnie poprawić jakość fotonów generowanych przez półprzewodnikowe źródło i przy okazji wskazać, co ciągle stoi na drodze do jeszcze lepszego wyniku.
Kwantowy Internet nie może wysyłać byle jakich fotonów
Określenie “identyczne fotony” jest oczywiście uproszczeniem. W fizyce kwantowej mówi się o ich nieodróżnialności, czyli sytuacji, w której właściwości dwóch cząstek są dopasowane na tyle dobrze, że podczas odpowiedniego eksperymentu nie da się ustalić, która była która. Znaczenie mają m.in. ich widmo, profil czasowy oraz spójność, co odgrywa ogromną rolę szczególnie wtedy, gdy dwa niezależne fotony mają ze sobą interferować.
Czytaj też: Osiem biegunów ukrytych w drganiach sieci. Fonony ujawniają magnetyzm oktupolowy w technologiach kwantowych
Takie zjawiska są potrzebne m.in. do teleportacji kwantowej, wymiany splątania i budowy przyszłych repeaterów kwantowych, które mają pełnić w takiej sieci rolę znacznie bardziej zaawansowanych odpowiedników punktów pośrednich. Zresztą pisałem już o tym przy okazji teleportacji kwantowej wykorzystującej 100 równoległych kanałów, gdzie naukowcy mierzyli się przede wszystkim ze skalowaniem transmisji. Z kolei eksperyment z wykorzystaniem dwóch różnych kropek kwantowych pokazywał inny problem, a mianowicie to, że źródła fotonów nie muszą zachowywać się dokładnie tak samo, więc ich emisję trzeba odpowiednio dopasowywać.
Wszystkie te badania składają się na tę samą układankę w postaci dążenia do użytecznego kwantowego Internetu.
Sztuczny atom dostał własny rezonator
Tym razem naukowcy wykorzystali półprzewodnikową kropkę kwantową. Takie struktury często określa się mianem “sztucznych atomów”, bo pozwalają w kontrolowany sposób wytwarzać pojedyncze fotony. Aby to osiągnąć, sięgnęli po zjawisko kaskadowego rozpadu biekscytonu. W jego ramach najpierw kropka kwantowa zostaje wzbudzona do stanu zawierającego dwa ekscytony, czyli związane układy elektronu i dziury elektronowej. Następnie układ stopniowo wraca do niższego poziomu energii, emitując dwa fotony jeden po drugim.
Czytaj też: Tak powstaje materia. Naukowcy odtworzyli ten proces na komputerze kwantowym
Właśnie tutaj pojawiał się problem. Kolejne etapy rozpadu są ze sobą powiązane czasowo, przez co uzyskanie fotonów o bardzo wysokiej nieodróżnialności nie jest proste. Wcześniejsze eksperymenty dawały wynik w okolicach 60 procent, ale w ramach swojej pracy zespół umieścił więc kropkę kwantową w odpowiednio zaprojektowanym rezonatorze optycznym, który pozwala kontrolować i przyspieszać proces emisji światła. W praktyce fizycy wykorzystali efekt Purcella, aby zmienić czas życia odpowiedniego stanu kwantowego i lepiej kontrolować przebieg rozpadu.
Rezultat? Nieodróżnialność emitowanych fotonów udało się zwiększyć z około 60 do 90 procent. Badacze osiągnęli również czystość pojedynczych fotonów na poziomie około 98 procent.
Internetu jeszcze z tego nie będzie
Eksperyment został przeprowadzony w precyzyjnie kontrolowanym układzie, a nawet idealne działanie jednego emitera nie rozwiązuje automatycznie problemu synchronizacji wielu niezależnych źródeł oddalonych od siebie o kilometry. Jest to jednak ciekawe badanie również przez fakt, że pokazuje, co zaczyna ograniczać dalszy postęp. Jedną z barier są fonony, czyli kwanty drgań sieci krystalicznej półprzewodnika. Mogą one oddziaływać z procesem emisji i pogarszać właściwości powstających fotonów, choć autorzy wskazują, że przy odpowiednim projektowaniu rezonatorów wpływ tych procesów można dalej ograniczać.
Czytaj też: Ze światła zrobili maszynę kwantową. Ma wielką przewagę nad konkurencją
Oto więc otrzymujemy coraz bardziej konkretną listę rzeczy do poprawieni, choć jeszcze kilka lat temu wyobrażenie kwantowego Internetu łatwo było sprowadzić do konieczności osiągnięcia jednego wielkiego przełomu. Dzisiaj coraz wyraźniej widać, że tak raczej nie będzie. Jedni badacze zwiększają liczbę kanałów wykorzystywanych podczas teleportacji kwantowej. Inni próbują połączyć fotony generowane przez różne źródła. Kolejne zespoły rozwijają pamięci kwantowe, repeatery, detektory i systemy konwersji częstotliwości. Tutaj z kolei udało się dopracować samo źródło światła, więc pracy do wykonania jest jeszcze bardzo dużo.
