Przełom w dziedzinie dalekodystansowej komunikacji kwantowej
Technologie kwantowe dają różne możliwości eksperymentowania i tworzenia innowacji. Łącząc wiedzę koncepcyjną i technologiczną, zespół finansowanego przez UE projektu ErBeStA opracował nowoczesne komponenty dla optycznych technologii kwantowych, rozszerzając potencjał par splątanych cząstek światła na potrzeby komunikacji kwantowej. Ogólnym celem projektu ErBeStA było wniesienie decydującego wkładu w realizację ambitnej wizji dotyczącej „internetu kwantowego”. Kluczowym elementem dla budowy uniwersalnych optycznych komputerów kwantowych, jak również dla budowy wydajnych repeaterów kwantowych, które są niezbędnym elementem długodystansowej komunikacji kwantowej, jest odporny na błędy analizator stanów Bella. Zbudowanie takiego urządzenia, pozwalającego na pomiar stanu pary fotonów w stanie splątanym, od zawsze należy do głównych wyzwań, jakie stawiają przed sobą naukowcy. W szczególności wymaga ono optycznej nieliniowości na poziomie pojedynczych fotonów, którą osiąga się poprzez silne sprzężenie światła z poszczególnymi emiterami pojedynczych fotonów. W ramach projektu ErBeStA wykorzystano trzy różne systemy emiterów pojedynczych fotonów: zimne atomy, atomy rydbergowskie oraz półprzewodnikowe emitery kwantowe. Aby uzyskać silne sprzężenie z polami świetlnymi, zastosowano nanofotonikę.
Przesuwanie granic nanofotoniki
„W trakcie realizacji projektu udało nam się otrzymać szereg ważnych wyników dotyczących sieci kwantowych i zaawansowanych obwodów optycznych”, stwierdza koordynator projektu Arno Rauschenbeutel z Uniwersytetu Humboldtów w Berlinie. Projekt ErBeStA zapoczątkował opracowanie nowych i ulepszonych typów kwantowych źródeł światła, nowych nieretroskalowych elementów optycznych (tj. elementów, które inaczej traktują światło w przypadku propagacji do przodu i do tyłu), nowych fotodetektorów z rozdzielaniem liczby fotonów oraz nowych emiterów pojedynczych fotonów. Wszystkie te postępy mają kapitalne znaczenie dla (kwantowych) technologii optycznych. Jeśli chodzi o nanofotonikę, opracowano kilka technologii wytwarzania nanorozmiarowych falowodów w celu zwiększenia interakcji światło-materia. Są one nie tylko fascynujące z naukowego punktu widzenia, ale także stanowią kluczowy element różnych nowatorskich i innowacyjnych zastosowań, takich jak kwantowe urządzenia detekcyjne lub przełączniki optyczne, obsługiwane przez pojedynczy atom. „Jesteśmy przekonani, że w przyszłości struktury te otworzą nowe możliwości w nauce i technologii kwantowej”, dodaje Rauschenbeutel.
Przełomowe i znaczące rozwiązania w zakresie technologii kwantowej
Aby rozwinąć dziedzinę kompaktowych technologii kwantowych, opracowano i wdrożono drukowane przestrzennie systemy spektroskopii i dystrybucji światła laserowego oraz pierwszą w świecie drukowaną przestrzennie komorę próżniową. „Te drukowane systemy mogą stanowić rozwiązanie w kontekście przewidywanego szerokiego wykorzystania i dużego wpływu technologii kwantowych na zastosowania sensoryczne. Co więcej, mogą one przyczynić się do miniaturyzacji i rozszerzenia funkcjonalności urządzeń”, wyjaśnia Rauschenbeutel. Na poziomie koncepcyjnym zespół ErBeStA dokonał wielu nowatorskich odkryć mających zastosowanie do przyszłych technologii i nowych kierunków badań. Badając teoretycznie atomowe emitery sprzężone z falowodem, naukowcy dowiedli potencjału zintegrowanych systemów emiterowo-falowodowych w zakresie badania kolektywnych zjawisk kwantowych i generowania stanów ściśniętych na potrzeby metrologii wspomaganej kwantowo. Badali również propagację światła i nieliniowości w atomach rydbergowskich. Udało się im wykazać, jak te ostatnie można wykorzystać do wykonania operacji sortowania fotonów (czyli oddzielenia impulsów świetlnych zawierających dwa fotony od tych, które zawierają pojedynczy foton) i jak to pozwoli na stworzenie analizatora stanów Bella bez konieczności stosowania elementów niewzajemnych. Ponadto zespół opracował nowe podejście, które wykorzystuje dwuwymiarowe tablice atomowe (tzw. „lustra kwantowe”) do realizacji deterministycznego sortowania fotonów i analizy stanów Bella. Opracowane systemy prezentują obecnie jedyne metody deterministyczne, które można zastosować w pracy pasywnej, czyli bez wcześniejszej znajomości czasu dotarcia fotonów.
Słowa kluczowe
ErBeStA, analizator stanów Bella, emitery kwantowe, dalekodystansowa komunikacja kwantowa, nanofotonika, technologia kwantowa
