Nowe badania badają, w jaki sposób wibracje atomowe wpływają na efektywność emisji fotonów w defektach kwantowych, dostarczając wiedzy, która może ulepszyć projektowanie emiterów kwantowych na potrzeby przyszłych sieci kwantowych.
Kiedy i dlaczego emiter fotonów nie emituje? Badania przeprowadzone na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara rzucają światło na tę kwestię.
Badania nad technologią Internetu kwantowego uwydatniają wyzwanie, jakim jest wytwarzanie stabilnych fotonów na falach telekomunikacyjnych, a ostatnie badania skupiają się na ulepszeniach materiałowych i zaawansowanych technikach emisji w celu zwiększenia wydajności sieci kwantowej.
Komputery czerpią ogromne korzyści z połączenia z Internetem, więc możemy zapytać: po co komputer kwantowy bez Internetu kwantowego?
Sekretem współczesnego Internetu jest zdolność przechowywania danych w stanie nienaruszonym podczas podróży na duże odległości, a najlepszym sposobem na osiągnięcie tego jest wykorzystanie fotonów. Fotony to pojedyncze jednostki („kwanty”) światła. W przeciwieństwie do innych cząstek kwantowych, fotony oddziałują bardzo słabo ze swoim otoczeniem. Ta stabilność czyni je również niezwykle atrakcyjnymi do przenoszenia informacji kwantowej na duże odległości, a jest to proces wymagający utrzymywania delikatnego stanu splątania przez dłuższy czas. Takie fotony można generować na różne sposoby. Jedna z możliwych metod polega na wykorzystaniu niedoskonałości w skali atomowej (defektów kwantowych) w kryształach do wygenerowania pojedynczych fotonów w dobrze zdefiniowanym stanie kwantowym.
Ilustracja koncepcyjna przedstawiająca defekt kwantowy emitujący pojedynczy foton. Źródło: Marek Turianksy
Dziesięciolecia optymalizacji zaowocowały kablami światłowodowymi, które mogą przesyłać fotony przy wyjątkowo niskich stratach. Jednak ta transmisja o niskich stratach działa tylko w przypadku światła w wąskim zakresie długości fal, znanym jako „pasmo długości fal telekomunikacyjnych”. Identyfikacja defektów kwantowych wytwarzających fotony w tych długościach fali okazała się trudna, ale finansowanie ze strony Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych i Narodowej Fundacji Nauki (NSF) umożliwiło badaczom z UC Santa Barbara College of Engineering zrozumienie, dlaczego tak się dzieje. Opisują swoje odkrycia w artykule opublikowanym niedawno w czasopiśmie Fotonika APL.
Efektywność emisji kwantowej
„Atomy stale wibrują, a wibracje te mogą pochłaniać energię z emitera światła” – mówi profesor materiałów UCSB, Chris Van de Walle. „W rezultacie zamiast emitować fotondefekt może zamiast tego powodować wibracje atomów, zmniejszając efektywność emisji światła”. Grupa Van de Walle’a opracowała modele teoretyczne w celu uchwycenia roli wibracji atomowych w procesie emisji fotonów i zbadała rolę różnych właściwości defektów w określaniu stopnia wydajności.
Ich praca wyjaśnia, dlaczego efektywność emisji pojedynczych fotonów drastycznie spada, gdy długość fali emisji wzrasta poza długości fal światła widzialnego (od fioletu do czerwieni) do długości fal podczerwieni w paśmie telekomunikacyjnym. Model umożliwia także badaczom identyfikację technik projektowania emiterów, które są jaśniejsze i bardziej wydajne.
„Staranny wybór materiału macierzystego i inżynieria właściwości wibracyjnych na poziomie atomowym to dwa obiecujące sposoby przezwyciężenia niskiej wydajności” – powiedział Mark Turiansky, doktor habilitowany w Instytucie
Van de Walle, pracownik NSF UC Santa Barbara Quantum Foundry i główny badacz projektu.
Inne rozwiązanie polega na połączeniu z wnęką fotoniczną. W podejściu tym wykorzystano wiedzę dwóch innych filii Quantum Foundry: profesora inżynierii komputerowej Galana Moody’ego i Kamyara Parto, absolwenta laboratorium Moody.
Zespół ma nadzieję, że ich model i spostrzeżenia, które zapewnia, okażą się przydatne przy projektowaniu nowatorskich emiterów kwantowych, które będą zasilać sieci kwantowe przyszłości.
Odniesienie: „Racjonalny projekt wydajnych emiterów kwantowych opartych na defektach” autorstwa Marka E. Turiansky’ego, Kamyara Parto, Galana Moody’ego i Chrisa G. Van de Walle’a, 26 czerwca 2024 r., Fotonika APL.
DOI: 10.1063/5.0203366
