Räätälöityjä lomittuneita fotoneja

Jotta kvanttitietokonetta voitaisiin käyttää tuloksellisesti, suuren määrän lomittuneita hiukkasia on toimittava yhdessä. Ne ovat laskelmien peruselementtejä eli kubitteja.

"Fotonit, valon hiukkaset, sopivat tähän erityisen hyvin, koska ne ovat luonteeltaan kestäviä ja helppoja käsitellä", sanoo Philip Thomas, tohtoriopiskelija Max Planck Institute of Quantum Opticsista (MPQ).

Yhdessä professori Gerhard Rempen johtamien kollegoiden kanssa hän on nyt onnistunut ottamaan tärkeän askeleen kohti fotonien käyttökelpoisuutta teknologisissa sovelluksissa, kuten kvanttilaskennassa: Ensimmäistä kertaa ryhmä loi jopa 14 lomittunutta fotonia määrätyllä tavalla ja korkealla lähes 50 prosentin tehokkuudella.

"Tämän kokeen temppu oli, että käytimme yhtä atomia fotonien emittoimiseen ja niiden yhdistämiseen hyvin erityisellä tavalla", Thomas kertoo. Tätä varten tutkijat asettivat rubidiumatomin optisen onteloon. Tietyn taajuisella laservalolla atomin tila on käsiteltävissä tarkasti. Ylimääräisen ohjauspulssin avulla tutkijat käynnistivät fotonin emission, joka on lomittunut atomin kvanttitilaan.

Mielivaltaiset yhden kubitin kierrot fotoniemissioiden välillä mahdollistavat tutkijoiden toteuttaa erityyppisten tilojen joustavan valmistuksen ohjelmoitavalla tavalla. He loivat havaitsivat jopa 14 fotonin GHZ-tiloja ja jopa 12 fotonin lineaarisia klusteritiloja, joissa on aito moniosainen lomittuminen.

"Parhaan tietomme mukaan 14 toisiinsa kytkettyä valohiukkasta ovat suurin määrä lomittuneita fotoneja, jotka on tähän mennessä generoitu laboratoriossa", Thomas korostaa.

Mutta se ei ole vain lomittuneiden fotonien määrä, joka merkitsee suurta askelta kohti tehokkaiden kvanttitietokoneiden kehitystä - tapa, jolla ne tuotetaan, eroaa myös hyvin perinteisistä menetelmistä. "Koska fotoniketju syntyi yhdestä atomista, se voitiin tuottaa deterministisellä tavalla", Thomas selittää. Tämä tarkoittaa: periaatteessa jokainen ohjauspulssi tuottaa fotonin, jolla on halutut ominaisuudet.

Yleensä fotonien lomittuminen on tapahtunut erityisissä, epälineaarisissa kiteissä. Niissä valohiukkaset syntyvät olennaisesti satunnaisesti ja tavalla, jota ei voida hallita. Tämä rajoittaa myös niiden hiukkasten määrää, jotka voidaan niputtaa kollektiiviseen tilaan.

Nyt tämän ryhmän käyttämä menetelmä mahdollistaa periaatteessa generoida minkä tahansa määrän lomittuneita fotoneja. "Kaiken kaikkiaan työmme poistaa pitkään olleen esteen tieltä skaalautuvaan, mittaukseen perustuvaan kvanttilaskentaan", tiivistää osastojohtaja Gerhard Rempe tulokset.

MPQ:n tutkijat haluavat poistaa vielä yhden esteen. Esimerkiksi monimutkaiset laskentatoimet vaatisivat resonaattorissa vähintään kahden atomin käyttöä fotonilähteenä. Kvanttifyysikot puhuvat kaksiulotteisesta klusterin tilasta ja MPQ:n tutkijat työskentelevät jo tämän tehtävän ratkaisemiseksi.

Tutkijat korostavat myös, että mahdolliset tekniset sovellukset ulottuvat kvanttilaskentaa pidemmälle: "Toinen sovellusesimerkki on kvanttiviestintä" – informaation hakkeroimaton välitys, esimerkiksi valon avulla optisessa kuidussa.

Aiheesta aiemmin:

Monen fotonin generaattori sirulle

Yksinkertaisempi suunnitelma kvanttitietokoneille