Fotonien muokkaus luotettavaa kvanttiviestintää varten

Valtaosa nykyaikaisista kvanttiteknologioista perustuu yhteen ehdottoman olennaiseen peruselementtiin: fotonien siirtoon. Kaksi kubittia (esimerkiksi kaksi atomia) vaihtaa informaatiota: toinen kubitti emittoi fotonin ja toinen absorboi sen.

Tämä prosessi ei kuitenkaan toimi täydellisesti. Fotonin absorboitumisen todennäköisyys on huomattavasti alle sata prosenttia: perinteisillä menetelmillä onnistumisprosentti on korkeintaan noin 54 prosenttia.

TU Wienin tiimi on nyt kehittänyt ehdotuksen tämän ongelman ratkaisemiseksi: fotonin muoto on käännettävä – ja tämä voidaan saavuttaa melko yksinkertaisella kikalla.

”Kun kubitti emittoi fotonin, sitä ei pidä kuvitella pienenä hiukkasena, joka vain ammutaan ulos”, sanoo tohtori Zeyu Kuang TU Wienin teoreettisen fysiikan laitokselta. ”Fotoni on aalto, ja aallolla on tietty muoto ja tietty laajuus.”

Sama pätee ääniaaltoihin: kun lyöt kelloa vasaralla, ääniaalto ei synny vain tuolla tietyllä hetkellä – ääni kestää jonkin aikaa. Vasaraniskun hetkellä ääniaalto on voimakkaimmillaan, ja sen jälkeen se hiljalleen vaimenee.

Kubitin lähettämän fotonin tuottama aalto on muodoltaan hyvin samanlainen: alussa se on hyvin voimakas ja myöhemmin se vaimenee eksponentiaalisesti. Täten vastaanottavan kubitin absorption todennäköisyys heikkenee. Aikakäänteinen pulssi olisi paljon parempi: se nousee vähitellen ennen kuin saavuttaa maksiminsa lopussa.

”Tämä seuraa kvanttimekaniikan aikakäännössymmetriasta”, Oliver Diekmann selittää. ”Ihanteellisissa olosuhteissa kvanttidynamiikka on palautuvaa. Jos kubitti emittoi täydellisesti tietyn aallonmuodon omaavan fotonin, aikakäännösprosessi kertoo meille, minkä aallonmuodon kyseinen kubitti voi täydellisesti absorboida.”

TU Wienin tiimin kysymys oli siis: miten fotonin ajallinen aaltomuoto voidaan kääntää? "Tyhjiössä valo kulkee aina täsmälleen samalla valon nopeudella,", sanoo professori Stefan Rotter. "Mutta optisessa aaltojohteessa näin ei välttämättä ole. Aallon eri taajuuskomponentit kulkevat nopeammin kuin toiset – matemaattisesti tätä kuvaa niin kutsuttu dispersiosuhde."

Tämän ajatuksen pohjalta tutkijat ehdottavat kahden kubitin sijoittamista aaltojohteeseen ja sen dispersiosuhteen muokkaamista siten, että emittoidun fotonipulssin aaltomuoto kääntyy täsmälleen päinvastaiseksi, mikä mahdollistaa sataprosenttisen teoreettisen absorptiotodennäköisyyden.

”Laskin, miten tämä tavoite voidaan saavuttaa, ja simuloimme prosessia tietokoneella”, sanoo professori Carlos Gonzalez-Ballestero. ”Tuloksemme osoittavat, että vaaditun kokoonpanon pitäisi olla teknisesti toteuttamiskelpoinen. Tämä passiivinen lähestymistapa voisi merkittävästi parantaa fotonien absorptiota kubiteilla ja siten lisätä monien kvanttiteknologioiden tehokkuutta.”

Aiheesta aiemmin:

Valoisa läpimurto kvanttifotoniikassa

Yksittäisfotonien teknologia tukee kvanttitietoliikenneverkkoa