Auf dem Weg zur praktischen Quantenoptik: Multiphotonen-Qubits von LNOI

Kann die Quantenoptik für praktische Anwendungen genutzt werden? Viel hängt davon ab, ob eine große Anzahl von Photonen im Quantenzustand gesammelt werden kann.

Unter allen Quantensystemen sind Photonen für ihre schwache Wechselwirkung bekannt, die es ermöglicht, selbst bei Raumtemperatur lange Kohärenzzeiten zu erreichen, wodurch sie sich für die Übertragung von Quantenbits (auch als „Qubits“ bekannt) zwischen entfernten Orten eignen. Die schwache Wechselwirkung von Photonen schränkt jedoch die Erzeugung von Quantenzuständen ein, die als multiphotonische Qubit-Zustände oder „N-Photonenzustände.“ Erzeugen N-Photonenzustände bleibt eine grundlegende Herausforderung auf dem Gebiet der Quantenoptik.

Wie in berichtet Advanced Photonics Nexushaben Forscher der Universität Nanjing das erste Schema vorgeschlagen, das im Prinzip praktisch eine erzeugen kann N-Photonenzustand deterministisch – so dass die Verdopplung der Photonenzahl mit 100-prozentiger Effizienz erfolgt – mit einer unbegrenzten Anzahl von Photonen. Das Schema ist experimentell durchführbar, wobei die praktische Materialfähigkeit berücksichtigt wird, indem eine Lithium-Niobat-auf-Isolator (LNOI)-Plattform verwendet wird, die eine ultrastarke χ(2) nichtlineare Wechselwirkung.

In dem beschriebenen Schema ist die Schlüsselkomponente die Photonenzahl-Verdopplungseinheit (PDU), die die Photonenzahlen verdoppeln kann, während das Spektrum unverändert bleibt. In der PDU ist der herausforderndste Teil die deterministische Umwandlung von Einzelphotonen zu Biphotonen. Es wurde schon früher vorgeschlagen und theoretisch untersucht, aber nur mit einem Ideal χ(2) bzw χ(3) materielle Annahme. Basierend auf praktischen Materialparametern schlugen die Forscher das erste experimentell durchführbare Schema für den PDU-Prozess vor.

Das Team zeigt, dass die PDU universell für die Generation von ist N-Qubit-Zustände für verschiedene Quantentechnologieanwendungen, wobei als Beispiele On-Chip-Designs für vorgeschlagen werden N-Photonen-Fock-Zustand, Cluster-Zustand und GHZ-Zustand.

Ihr Schema beinhaltet eine deterministische parametrische Abwärtskonvertierung (DPDC) in einem High-Q LNOI-Mikroringresonator. Durch die Kombination der ultrahohen Nichtlinearität der LNOI-Plattform und des Cavity-Enhancement-Effekts des Resonators kann DPDC mit 107 erreicht werden Q-Faktor-Mikroring, der innerhalb der gegenwärtigen Grenzen der Herstellung und des Experimentierens liegt.

Neben dem DPDC ist für die Skalierbarkeit eine deterministische parametrische Aufwärtswandlung (DPUC) in der PDU erforderlich, um die Photonenfrequenz zurück in die Pumpfrequenz umzuwandeln. Sie zeigen, dass dies mit On-Chip-Leistung im Milliwattbereich in LNOI-Schaltkreisen erreicht werden kann.

Als erstes experimentell durchführbares Schema für deterministische N-Photonenzustandserzeugung unter Berücksichtigung praktischer Materialparameter liefert die Arbeit wichtige Hinweise für die tatsächliche Realisierung von Zuständen mit großer Photonenzahl in der Zukunft. Laut der leitenden Autorin Zhenda Xie, Professorin an der School of Electronic Science and Engineering der Nanjing University, „wird der Zustand großer Photonen als eines der ultimativen Ziele für Physiker in der Quantenoptik und Quanteninformation angesehen. Diese Arbeit schlägt das erste realisierbare Schema vor das Ziel erreichen.“

Xie fügt hinzu: „Eine solche deterministische Einzelphotonen-Wechselwirkung auf der Grundlage von LNOI kann nicht nur für die Photonenerzeugung, sondern auch für die Photonenmanipulation verwendet werden, um Quantengatter, Quantenspeicher usw. und die gesamte Quanteninformationstechnologie.“

Das Team geht davon aus, dass ihr optischer Ansatz für Quanteninformationen Interesse wecken und andere Forscher ermutigen wird, ihn tatsächlich zu demonstrieren.