Naukowcy z INRS opracowali syntetyczną sieć fotoniczną zdolną do generowania stanów kwantowych światła i manipulowania nimi, torując drogę obiecującym postępom w różnych zastosowaniach, od obliczenia kwantowe w celu zabezpieczenia protokołów komunikacji kwantowej.
Badanie współkierowane przez profesora Roberto Morandottiego z Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) we współpracy z zespołami z Niemiec, Włoch i Japonii toruje drogę innowacyjnym rozwiązaniom, które mogłyby umożliwić opracowanie systemu przetwarzania informacji kwantowej za pomocą obu prostota i moc.
Ich praca została właśnie opublikowana w czasopiśmie Fotonika Przyrodyprzedstawia metodę manipulowania stanami fotonicznymi światła w nigdy wcześniej nie widziany sposób, oferując większą kontrolę nad ewolucją światła foton propagacja. Sterowanie to pozwala poprawić detekcję i liczbę zbiegów fotonów, a także wydajność systemu.
Nieoczekiwane właściwości
Centralną częścią eksperymentów zespołu badawczego jest koncepcja spacerów kwantowych. „Rozwój dziedziny obliczeń kwantowych, który rozpoczął się jakieś dwadzieścia lat temu, przyniósł ogromne korzyści z koncepcji spacerów kwantowych, o których wiadomo, że zwiększają szybkość i złożoność algorytmów komputerowych” – wyjaśnia profesor Roberto Morandotti, którego laboratorium mieści się w w Centrum Badań nad Telekomunikacją INRS Énergie Matériaux.
Niedawno społeczność naukowa opracowała kolejną koncepcję: syntetyczne sieci fotoniczne. „Ta praca umożliwia nam wykorzystanie koncepcji syntetycznych wymiarów fotoniki do badania wielu zjawisk kwantowych na poziomie podstawowym i zastosowanie ich w technologiach kwantowych” – wyjaśnia Stefania Sciara, post-doc w zespole Roberto Morandottiego i współautorka książki badanie.
Znany był już potencjał tego typu sieci, na przykład do symulacji takich efektów, jak symetria w czasie parzystości, nadciekłość światła i struktury topologiczne, ale przy użyciu konwencjonalnej technologii. „Jednak pomimo ich potencjału” – dodaje – „nigdy nie wykazano syntetycznej sieci fotonicznej zdolnej do radzenia sobie ze stanami kwantowymi”.
Właśnie tego dokonał Roberto Morandotti i jego zespół. Odkryli czasową syntetyczną sieć fotoniczną zdolną do generowania stanów kwantowych światła (fotonów) i manipulowania nimi, wykorzystując koncepcję spacerów kwantowych w prostych układach światłowodowych.
„Nasz zespół odkrył, jak wykorzystywać syntetyczne sieci fotoniczne do przetwarzania informacji kwantowych w oparciu o spacery kwantowe wielowymiarowych fotonów splątanych w ich stanach czasowych” – informuje profesor Morandotti. „System nie wymaga dużych zasobów, ponieważ składa się z urządzeń światłowodowych, które są kompatybilne ze standardową infrastrukturą telekomunikacyjną.”
Innowacyjna technika o szerokim zastosowaniu
Ten przełom otwiera drzwi do wykorzystania syntetycznych sieci fotonicznych uproszczonych poprzez wykorzystanie spacerów kwantowych do kwantowego przetwarzania informacji.
Nasze podejście jest bezprecedensowe z dwóch powodów” – mówi Roberto Morandotti. „Pozwala na lepszą kontrolę ewolucji spacerów kwantowych w dziedzinie czasu i umożliwia jednoczesną manipulację klasycznym światłem i splątanymi fotonami. To odkrycie toruje drogę dla szeregu zaawansowanych protokołów obliczeń kwantowych i informacyjnych w architekturach gotowych do obsługi telekomunikacji, kompatybilnych z chipami mikroprocesorowymi”.
Wyniki badaczy mogą odnieść korzyści z kilku dziedzin fizyki podstawowej powiązanych z przetwarzaniem informacji kwantowych, w tym obliczeń kwantowych, metrologii kwantowej i bezpiecznej komunikacji kwantowej.
„Nasz system w całości opiera się na urządzeniach światłowodowych stosowanych w telekomunikacji i można go łączyć z obecną i przyszłą infrastrukturą telekomunikacyjną” – mówi Stefania Sciara. „To odkrycie jest dowodem na to, że możliwa jest realizacja wysokowydajnych systemów kwantowych przy użyciu urządzeń, technik i infrastruktury, które są w zasięgu ręki. Pokazuje także, że możliwe jest wykorzystanie sieci kwantowych do bezpiecznego przesyłania danych osobowych”.
Odniesienie: „Kwantowe przetwarzanie stanu poprzez kontrolowane syntetyczne czasowe kraty fotoniczne” autorstwa Moniki Moniki, Farzama Nosrati, Agnes George, Stefanii Sciary, Rizy Fazili, André Luiza Marquesa Muniz, Arstana Bisianova, Rosario Lo Franco, Williama J. Munro, Mario Chemnitz, Ulf Peschel i Roberto Morandotti, 14 października 2024 r., Fotonika Przyrody.
DOI: 10.1038/s41566-024-01546-4
Badania te zostały sfinansowane przez Kanadyjską Radę ds. Nauk Przyrodniczych i Inżynierii (NSERC) oraz Fonds de recherche du Québec (FRQ).
