Forscherteam synchronisiert einzelne Photonen mithilfe eines atomaren Quantenspeichers

Eine seit langem bestehende Herausforderung auf dem Gebiet der Quantenphysik ist die effiziente Synchronisation einzelner und unabhängig voneinander erzeugter Photonen (also Lichtteilchen). Dies zu erkennen hätte entscheidende Auswirkungen auf die Quanteninformationsverarbeitung, die auf Wechselwirkungen zwischen mehreren Photonen beruht.

Forscher am Weizmann Institute of Science demonstrierten kürzlich die Synchronisation einzelner, unabhängig erzeugter Photonen mithilfe eines atomaren Quantenspeichers, der bei Raumtemperatur arbeitet. Ihr Artikel, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchungkönnten neue Wege für die Untersuchung von Multiphotonenzuständen und deren Verwendung in der Quanteninformationsverarbeitung eröffnen.

„Die Projektidee entstand vor einigen Jahren, als unsere Gruppe und die Gruppe von Ian Walmsley einen atomaren Quantenspeicher mit einem im Vergleich zu den typischen Speichern umgekehrten Schema auf atomarer Ebene demonstrierten – dem Leiterspeicher, genannt Fast Ladder Memory (FLAME)“ Omri Davidson, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, sagte gegenüber Phys.org. „Diese Speicher sind schnell und rauschfrei und eignen sich daher für die Synchronisierung einzelner Photonen.“

Photonische Quantenberechnung und andere Quanteninformationsprotokolle basieren auf der erfolgreichen Erzeugung von Multiphotonenzuständen. Da die meisten bisher in der Forschung verwendeten Quantenquellen probabilistisch sind, sind sie nicht geeignet, Mehrphotonenzustände mit angemessener Geschwindigkeit zu erzeugen.

Im Rahmen ihrer jüngsten Studie untersuchten Davidson und seine Kollegen die Möglichkeit, diese Zustände mithilfe eines atomaren Quantenspeichers zu realisieren. Dabei handelt es sich um Geräte, die die Quantenzustände von Photonen speichern und gleichzeitig die Quanteninformationen, die sie tragen, behalten können. Ihre Vorhersage war, dass ihr atomarer Quantenspeicher in der Lage sein würde, probabilistisch erzeugte Photonen zu speichern und sie bei Bedarf freizugeben, um einen Multiphotonenzustand zu erzeugen.

„Ziel der aktuellen Forschung war es, erstmals die Synchronisation einzelner Photonen mithilfe eines unabhängigen atomaren Quantenspeichers bei Raumtemperatur zu demonstrieren“, sagte Davidson. „Um dies zu erreichen, mussten wir den Speicher mit mehreren Verbesserungen umbauen und eine Einzelphotonenquelle bauen, die Photonen erzeugt, die effizient mit dem Speicher kommunizieren können. Schließlich mussten wir die tatsächliche Photonensynchronisation demonstrieren, die eine Schnittstelle bildete.“ die Photonenquelle und Speichermodule, mit geeigneter Steuerelektronik des Experiments.“

FLAME, der von den Forschern verwendete und im Rahmen ihrer früheren Forschung entwickelte Quantenspeicher, basiert auf einem umgekehrten Schema auf atomarer Ebene, das als Leiterschema bezeichnet wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Grundzustandsspeichern, die normalerweise langsam und anfällig für Rauschen sind, ist FLAME sowohl schnell als auch rauschfrei, kann Informationen jedoch nur für kürzere Zeiträume speichern. Da Geschwindigkeit und Rauschfreiheit wesentliche Eigenschaften für die Synchronisation einzelner Photonen sind, hofften sie, dadurch Multiphotonen-Quantenzustände erzeugen zu können.

„Der zweite Vorteil unseres spezifischen Leiterschemas in Rubidiumatomen ist die geringe Wellenlängeninkongruenz der Signal- und Kontrolllichtfeldübergänge“, erklärte Davidson. „Dies ermöglicht aufgrund der geringeren Zwei-Photonen-Doppler-Verbreiterung eine relativ lange Speicherlebensdauer im Vergleich zu anderen Leiterschemata mit einer größeren Wellenlängenabweichung. Schließlich haben wir die Photonen mit derselben Struktur auf atomarer Ebene wie unser Speicher erzeugt, was eine effiziente Kopplung ermöglicht.“ der Photonen mit der Erinnerung.“

Die vielen Vorteile des FLAME-Speicherschemas des Teams trugen insgesamt zum Erfolg ihres Experiments bei und ermöglichten es ihnen, einzelne Photonen mit hoher Geschwindigkeit zu synchronisieren. Mithilfe ihres atomaren Quantenspeichers konnten sie einzelne Photonen mit einer End-to-End-Effizienz von ηe2e=25 % und einem endgültigen Antibunching von g(2)h=0,023 speichern und abrufen und erreichten so eine Rate von mehr als 1.000 synchronisierten Photonenpaaren pro Sekunde.

G (2) h, oder Photon Antibunching, ist ein Maß dafür, wie „einzeln“ die einzelnen Photonen sind. Perfekte Einzelphotonen haben g(2)h= 0 , klassisches Licht hingegen hat g(2)h= 1. Somit bleiben die von den Forschern synchronisierten Photonen bei g(2)h= 0,023 nahezu perfekte Einzelphotonen den geräuschfreien Betrieb des Speichers.

„Wir konnten Photonen, die mit Atomsystemen kompatibel sind, mit hoher Geschwindigkeit synchronisieren“, sagte Davidson. „Photonen, die mit Atomen kompatibel sind, sind wichtig für viele photonische Quanteninformationsprotokolle, wie zum Beispiel ein deterministisches Zwei-Qubit-Verschränkungsgatter. Frühere Photonensynchronisationsdemonstrationen verwendeten entweder Breitbandphotonen, die nicht mit Atomsystemen kompatibel sind, oder Photonen, die mit Atomsystemen kompatibel sind.“ mit extrem niedrigen Tarifen.

Die Photonensynchronisationsrate, die Davidson und seine Kollegen in ihren Experimenten erreichten, ist mehr als tausendmal besser als bei früheren Demonstrationen mit Photonen, die mit Atomsystemen kompatibel sind. Ihre Arbeit eröffnet neue Wege für die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Mehrphotonenzuständen und Atomen, beispielsweise sogenannte deterministische Zwei-Photonen-Verschränkungstore. In der Zukunft könnte es wertvolle Auswirkungen sowohl auf die Realisierung der Quanteninformationsverarbeitung als auch auf quantenoptische Systeme haben.

„Wir erkunden derzeit zwei Forschungspfade“, fügte Davidson hinzu. „Die erste besteht darin, starke Photon-Photon-Wechselwirkungen mit Rubidiumatomen zu erreichen, in einem ähnlichen System wie das, das für die Synchronisation verwendet wird. Das Erreichen dieses Ziels wird es uns ermöglichen, ein deterministisches Verschränkungstor zwischen den synchronisierten Einzelphotonen zu demonstrieren.“

„Diese Gatter sind eine wichtige Komponente in der photonischen Quantenberechnung, da sie es ermöglichen, den Ressourcenaufwand gegenüber derzeit verfolgten Methoden (sogenannte lineare optische Quantenberechnung) zu reduzieren. Bisher wurden diese Gatter nur mit Anordnungen kalter Atome und nicht mit heißen Atomen demonstriert.“ , was die Skalierbarkeit dieser Systeme einschränkt.“

In ihren nächsten Studien planen Davidson und seine Kollegen außerdem, ihren FLAME-Speicher so weiterzuentwickeln, dass er ein photonisches Qubit (d. h. ein Photon in einer Quantenüberlagerung zweier Polarisationszustände) speichern kann, anstatt nur einzelne Photonen in einem Polarisationszustand zu speichern . Dies könnte es ihnen letztendlich ermöglichen, Quantenberechnungen mithilfe von Photonen durchzuführen.

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