Zum ersten Mal ist es Forschern gelungen, stark nichtklassisches Licht mit einer modularen wellenleiterbasierten Lichtquelle zu erzeugen. Diese Errungenschaft stellt einen entscheidenden Schritt zur Entwicklung schnellerer und praktischerer optischer Quantencomputer dar.
„Unser Ziel ist es, die Informationsverarbeitung dramatisch zu verbessern, indem wir schnellere Quantencomputer entwickeln, die jede Art von Berechnung fehlerfrei durchführen können“, sagte Kan Takase, Mitglied des Forschungsteams von der Universität Tokio. „Obwohl es mehrere Möglichkeiten gibt, einen Quantencomputer zu bauen, sind lichtbasierte Ansätze vielversprechend, da der Informationsprozessor bei Raumtemperatur betrieben werden kann und der Rechenumfang leicht erweitert werden kann.“
In der Zeitschrift der Optica Publishing Group Optik Express, beschreibt ein multiinstitutionelles Forscherteam aus Japan das Wellenleiter-Optical-Parametric-Amplifier-Modul (OPA), das sie für Quantenexperimente entwickelt haben. Durch die Kombination dieses Geräts mit einem speziell entwickelten Photonendetektor konnten sie einen als Schrödinger-Katze bekannten Lichtzustand erzeugen, der eine Überlagerung kohärenter Zustände darstellt.
„Unsere Methode zur Erzeugung von Quantenlicht kann genutzt werden, um die Rechenleistung von Quantencomputern zu erhöhen und den Informationsprozessor kompakter zu machen“, sagt Takase. „Unser Ansatz übertrifft herkömmliche Methoden, und der modulare Wellenleiter OPA ist einfach zu bedienen und in Quantencomputer zu integrieren.“
Stark nichtklassisches Licht erzeugen
Kontinuierlich gequetschtes Licht wird verwendet, um die verschiedenen Quantenzustände zu erzeugen, die für die Durchführung von Quantencomputern erforderlich sind. Für die beste Rechenleistung muss die Quetschlichtquelle sehr geringe Lichtverluste aufweisen und breitbandig sein, also einen großen Frequenzbereich abdecken.
„Wir wollen die Taktfrequenz von optischen Quantencomputern erhöhen, die im Prinzip Terahertz-Frequenzen erreichen können“, sagt Takase. „Höhere Taktfrequenzen ermöglichen eine schnellere Ausführung von Rechenaufgaben und ermöglichen eine Verkürzung der Verzögerungsleitungen in den optischen Schaltungen. Dadurch werden optische Quantencomputer kompakter und gleichzeitig lässt sich das Gesamtsystem leichter entwickeln und stabilisieren.“
OPAs verwenden nichtlineare optische Kristalle, um gequetschtes Licht zu erzeugen, aber herkömmliche OPAs erzeugen kein Quantenlicht mit den Eigenschaften, die für schnelleres Quantencomputing erforderlich sind. Um diese Herausforderung zu meistern, haben Forscher der Universität Tokio und der NTT Corporation einen OPA entwickelt, der auf einem wellenleiterartigen Gerät basiert, das einen hohen Wirkungsgrad erreicht, indem es Licht auf einen schmalen Kristall beschränkt.
Durch sorgfältiges Design des Wellenleiters und Herstellung mit Präzisionsverarbeitung konnten sie ein OPA-Gerät mit viel geringerem Ausbreitungsverlust als herkömmliche Geräte herstellen. Es kann auch für den Einsatz in verschiedenen Experimenten mit Quantentechnologien modularisiert werden.
Entwerfen des richtigen Detektors
Das OPA-Gerät wurde entwickelt, um gequetschtes Licht bei Telekommunikationswellenlängen zu erzeugen, einem Wellenlängenbereich, der dazu neigt, geringe Verluste aufzuweisen. Um das System zu vervollständigen, benötigten die Forscher einen Hochleistungs-Photonendetektor, der bei Telekom-Wellenlängen arbeitet. Standard-Photonendetektoren auf Halbleiterbasis erfüllen jedoch nicht die Leistungsanforderungen für diese Anwendung.
Daher haben Forscher der Universität Tokio und des Nationalen Instituts für Informations- und Kommunikationstechnologie (NICT) einen Detektor entwickelt, der speziell für die Quantenoptik entwickelt wurde. Der neue supraleitende Nanostreifen-Photonendetektor (SNSPD) nutzt die Supraleitungstechnologie zum Nachweis von Photonen.
„Wir haben unseren neuen Wellenleiter OPA mit diesem Photonendetektor kombiniert, um einen höchst nicht-klassischen – oder Quanten – Lichtzustand namens Schrödinger-Katze zu erzeugen“, sagte Takase. „Das Erzeugen dieses Zustands, der mit herkömmlichen Wellenleiter-OPAs mit niedrigem Wirkungsgrad schwierig ist, bestätigt die hohe Leistungsfähigkeit unseres Wellenleiter-OPAs und eröffnet die Möglichkeit, dieses Gerät für ein breites Spektrum von Quantenexperimenten einzusetzen.“
Die Forscher untersuchen nun, wie sie Hochgeschwindigkeits-Messtechniken mit dem neuen Wellenleiter OPA kombinieren können, um ihrem Ziel des ultraschnellen optischen Quantencomputings näher zu kommen.
Kan Takase et al., Erzeugung von Schrödinger-Katzenzuständen mit Wigner-Negativität unter Verwendung eines verlustarmen optischen parametrischen Wellenleiterverstärkers mit kontinuierlicher Welle, Optik Express (2022). DOI: 10.1364/OE.454123