Dugogodišnji izazov u oblasti kvantne fizike je efikasna sinhronizacija pojedinačnih i nezavisno generisanih fotona (svetlosnih čestica). Shvatanje ovoga imalo bi ključne implikacije za kvantnu obradu informacija koja se oslanja na interakcije između više fotona.
Istraživači sa Veizman instituta za nauku nedavno su demonstrirali sinhronizaciju pojedinačnih, nezavisno generisanih fotona koristeći atomsku kvantnu memoriju koja radi na sobnoj temperaturi. Njihov rad, objavljen u Phisical Reviev Letters, mogao bi otvoriti nove puteve za proučavanje višefotonskih stanja i njihovu upotrebu u kvantnoj obradi informacija.
„Ideja projekta je nastala pre nekoliko godina, kada su naša grupa i grupa Iana Volmslija demonstrirali atomsku kvantnu memoriju sa invertovanom šemom atomskog nivoa u poređenju sa tipičnim sećanjima – merdevina memorija, nazvana brza merdevina memorija (FLAME)“ Omri Davidson, jedan od istraživača koji su sproveli studiju, rekao je za Phis.org. „Ove memorije su brze i bez šuma, i stoga su korisne za sinhronizaciju pojedinačnih fotona.“
Fotonsko kvantno računanje i drugi kvantni informacioni protokoli se oslanjaju na uspešno generisanje višefotonskih stanja. Kako je većina kvantnih izvora korišćenih u istraživanjima do sada verovatna, oni nisu pogodni za generisanje višefotonskih stanja po razumnoj stopi.
Kao deo svoje nedavne studije, Dejvidson i njegove kolege su krenuli da istraže mogućnost realizacije ovih stanja korišćenjem atomske kvantne memorije, uređaja koji mogu da skladište kvantna stanja fotona dok zadržavaju kvantne informacije koje nose. Njihovo predviđanje je bilo da će njihova atomska kvantna memorija biti u stanju da skladišti verovatno generisane fotone i oslobodi ih na zahtev da bi generisala višefotonsko stanje.
„Cilj trenutnog istraživanja bio je da se po prvi put pokaže sinhronizacija pojedinačnih fotona koristeći nezavisnu atomsku kvantnu memoriju sobne temperature“, rekao je Davidson. „Da bismo to postigli, morali smo da ponovo izgradimo memoriju sa nekoliko poboljšanja, kao i da napravimo izvor sa jednim fotonom koji generiše fotone koji mogu efikasno da komuniciraju sa memorijom. Konačno, bili smo spremni da demonstriramo stvarnu sinhronizaciju fotona, koja je povezana izvor fotona i memorijski moduli, sa odgovarajućom kontrolnom elektronikom eksperimenta.“
FLAME, kvantna memorija koju su istraživači koristili i razvijena kao deo njihovih prethodnih istraživanja, oslanja se na invertiranu šemu atomskog nivoa, koja se naziva šema merdevina. U poređenju sa konvencionalnim memorijama osnovnog stanja, koje su tipično spore i osetljive na šum, FLAME je i brz i bez šuma, ali može da čuva informacije samo u kraćim vremenskim periodima. Kako su brzina i nedostatak buke bitna svojstva za sinhronizaciju pojedinačnih fotona, nadali su se da će im to omogućiti da generišu višefotonska kvantna stanja.
„Druga prednost naše specifične lestvice u atomima rubidijuma je mala neusklađenost talasnih dužina prelaza signala i kontrolnih svetlosnih polja“, objasnio je Davidson. „Ovo omogućava relativno dug životni vek memorije u poređenju sa drugim lestvicama sa većim neusklađenošću talasnih dužina, zbog manjeg dvofotonskog Doplerovog proširenja. Konačno, generisali smo fotone koristeći istu strukturu na atomskom nivou kao i naša memorija, što omogućava efikasno spajanje fotona sa memorijom.“
Mnoge prednosti timske FLAME memorijske šeme zajedno su doprinele uspehu njihovog eksperimenta, omogućavajući im da sinhronizuju pojedinačne fotone velikom brzinom. Koristeći svoju atomsku kvantnu memoriju, bili su u stanju da skladište i izvuku pojedinačne fotone sa efikasnošću od kraja do kraja od η e2e =25% i konačnim antigrupom od g (2) h=0,023, postižući brzinu od više od 1.000 sinhronizovanih fotona parova u sekundi.
G (2) h, ili foton antibunching, je mera koliko su pojedinačni fotoni „jednostruki“. Savršeni pojedinačni fotoni imaju g (2) h= 0, dok klasična svetlost ima g (2) h= 1. Dakle, pri g (2) h= 0,023, fotoni koje su istraživači sinhronizovali ostaju skoro savršeni jednostruki fotoni, zahvaljujući rad memorije bez šuma.
„Uspeli smo da sinhronizujemo fotone koji su kompatibilni sa atomskim sistemima velikom brzinom“, rekao je Davidson. „Fotoni koji su kompatibilni sa atomima važni su za mnoge fotonske kvantne informacione protokole, kao što je deterministička dvokubitna kapija za zapletanje. Prethodne demonstracije sinhronizacije fotona su koristile ili širokopojasne fotone koji nisu kompatibilni sa atomskim sistemima, ili fotone koji su kompatibilni sa atomskim sistemima sa izuzetno niskim stopama“.
Stopa sinhronizacije fotona koju su Davidson i njegove kolege postigli u svojim eksperimentima je više od 1.000 puta bolja od prethodnih demonstracija korišćenjem fotona koji su kompatibilni sa atomskim sistemima. Njihov rad otvara nove puteve za proučavanje interakcija između višefotonskih stanja i atoma, kao što su takozvana deterministička dvofotonska upletena kapija. U budućnosti bi to moglo imati dragocene implikacije kako za realizaciju kvantne obrade informacija tako i za sisteme kvantne optike.
„Trenutno istražujemo dva istraživačka puta“, dodao je Davidson. „Prvi je postizanje jakih foton-fotonskih interakcija sa atomima rubidijuma, u sistemu sličnom onom koji se koristi za sinhronizaciju. Postizanje ovog cilja omogućiće nam da demonstriramo determinističku kapiju zapletanja između sinhronizovanih pojedinačnih fotona.
„Ove kapije su važna komponenta u fotonskom kvantnom proračunu, jer omogućavaju smanjenje troškova resursa u odnosu na metode koje se trenutno primenjuju (nazvane linearno-optički kvantni proračuni). Do danas, ove kapije su demonstrirane samo sa postavljanjem hladnih atoma, a ne sa vrućim atomima , što ograničava skalabilnost ovih sistema.“
U svojim narednim studijama, Davidson i njegove kolege takođe planiraju da dalje razvijaju svoju FLAME memoriju, omogućavajući joj da skladišti fotonski kubit (tj. foton u kvantnoj superpoziciji dva polarizaciona stanja), umesto da čuva samo pojedinačne fotone u jednom polarizacionom stanju . Ovo bi im na kraju moglo omogućiti da izvode kvantne proračune koristeći fotone.
