Lomittumisen vaihto fotonien välisellä summataajuuden generoinnilla

Japanin National Institute of Information and Communications Technology (NICT) on ensimmäisenä maailmassa osoittanut lomittumisen käyttämällä yksittäisten fotonien välistä summataajuusgenerointia (SFG).

Vaikka yksittäisten fotonien epälineaariset optiset vaikutukset on jo pitkään teoreettisesti tunnustettu tehokkaiksi työkaluiksi kvanttitiedonsiirtoprotokollien kehittämisessä, tällaiset vaikutukset ovat erittäin heikkoja yksittäisten fotonien tasolla, eikä niitä ole koskaan sovellettu kvanttioperaatioihin.

Yhdistämällä NICT:n huipputeknologiat, mukaan lukien nopeasti kellotetut lomittuneet fotoniparilähteet, vähän kohinaa tuottavat suprajohtavat nanolankaiset yksittäisfotoni-ilmaisimet ja tehokkaan epälineaarisen optisen kiteen, tutkimusryhmä onnistui havaitsemaan yksittäisten fotonien välistä lomittunutta signaali-kohinasuhdetta ennennäkemättömällä signaali-kohinasuhteella.

Tämän vaikutuksen avulla he saavuttivat ensimmäisen kokeellisen demonstraation lomittuneisuuden vaihdosta yksittäisten fotonien summataajuusgeneroinnin avulla.

Tämän saavutuksen odotetaan tasoittavan tietä miniatyrisoidulle ja tehokkaalle fotonisen kvantti-informaation käsittelypiirille sekä pitkän matkan laitteesta riippumattomalle kvanttiavainten jakelulle.

Kvanttitiedonkäsittelyn, kuten kvanttiviestinnän ja kvanttilaskennan, alalla kahden kubitin porttioperaatiot ovat olennaisia rakenneosia. Optisissa toteutuksissa tällaisten operaatioiden toteuttamiseen on käytetty kahden fotonin interferenssiä.

Vaikka tämä menetelmä mahdollistaa suhteellisen yksinkertaisen kokeellisen järjestelyn käyttämällä vain standardia säteenjakajaa ja fotonidetektoreita, sillä on merkittävä rajoitus: Ellei lomittumisen vaihdon avulla saadun fotoniparin olemassaoloa vahvisteta mittauksella (ja siten tuhota), tarkkuus heikkenee, mikä rajoittaa sovellusaluetta.

Tämän rajoituksen voittamiseksi on ehdotettu teoreettinen menetelmä, joka perustuu yksittäisten fotonien välisen summataajuusgeneroinnin (SFG) avulla tapahtuvaan lomittumisen vaihtoon (katso kuva 1b) [1] .

Tässä lähestymistavassa havaitsemalla kahden yksittäisen fotonin välillä SFG-generoinnin kautta syntynyt fotoni (SFG-fotoni) on mahdollista suorittaa erittäin tarkka lomittumisen vaihto tuhoamatta tuloksena olevaa lomittunutta fotoniparia.

Jotta nykyistä järjestelmää voitaisiin soveltaa kehittyneempiin kvantti-informaatioprotokolliin lomittumisen vaihdon lisäksi, signaali-kohinasuhdetta (SNR) on parannettava edelleen. Tulevaisuudessa tutkimusryhmän tavoitteena on parantaa epälineaarista optista hyötysuhdetta, mikä johtaa fotonisten kvantti-informaation käsittelypiirien pienentämiseen ja tehokkuuden parantamiseen sekä siirtoetäisyyden pidentämiseen laitteesta riippumattomassa kvantti-avainjakelussa.

Aiheesta aiemmin:

Fotonisen lomittumisen reitittämisellä kohti kvantti-internettiä

Multipleksattu lomittuminen kvanttiverkolle

Monifotoninen lomittuminen metapinnan avulla