May 25, 2023. От University of Warsaw
Свет является ключевым носителем информации. Это обеспечивает высокоскоростную передачу данных по всему миру по волоконно-оптическим телекоммуникационным сетям. Эта способность передавать информацию может быть расширена до передачи квантовой информации путем кодирования ее в отдельных частицах света (фотонах).
«Чтобы эффективно загружать одиночные фотоны в устройства квантовой обработки информации, они должны обладать определенными свойствами: правильной центральной длиной волны или частотой, подходящей длительностью и правильным спектром», — объясняет доктор Михал Карпински, руководитель лаборатории квантовой фотоники физического факультета Варшавского университета и автор статьи. из статьи, опубликованной в журнале Nature Photonics.
Исследователи по всему миру создают прототипы квантовых компьютеров, используя различные методы, включая захваченные ионы, квантовые точки, сверхпроводящие электрические цепи и ультрахолодные атомные облака. Эти платформы квантовой обработки информации работают в самых разных временных масштабах — от пикосекунд до наносекунд и даже микросекунд.
Временная линза
Для того чтобы соединить такие устройства вместе и создать квантовую сеть, необходим интерфейс для изменения характеристик передаваемых квантовых импульсов света (одиночных фотонов). Прототип такого преобразователя уже был представлен в Nature Photonics исследователями из Варшавского университета и международными сотрудниками еще в 2016 году.
«Представленное там устройство позволило в шесть раз увеличить длительность однофотонного импульса с эффективностью более 30 процентов», — поясняет доктор Михал Карпински. Он добавляет, что метод, который его команда использовала в то время — простая электрооптическая модуляция — имеет технические ограничения, которые допускают максимальное десятикратное изменение длительности импульса.
«В нашей новой публикации мы представляем преобразователь, который позволяет изменять длительность импульса до 200 раз с КПД 25 процентов. Это означает, что полученное в результате квантовое интернет-соединение могло бы работать в 50 раз быстрее», — говорит доктор Карпински.
Важнейшим элементом новой методики, разработанной исследователями физического факультета Калифорнийского университета, является так называемая временная линза.
«Классическая пространственная линза, с которой мы обычно знакомы, изменяет размер луча света, либо фокусируя его, либо отклоняя. Например, свет можно сфокусировать с помощью выпуклой линзы, в которой толщина стекла линзы уменьшается с увеличением расстояния от ее центра. По аналогичному принципу временная линза может либо укорачивать, либо удлинять световые импульсы, но здесь эффективная оптическая толщина стекла изменяется во времени, а не в пространстве», — объясняет доктор Филип Сосницки из лаборатории квантовой фотоники, который отвечал за разработку эксперимента.
«Чтобы сфокусировать широкий луч света с помощью пространственной линзы, он должен быть достаточно большим. Но это сделает линзу сильно выпуклой, что значительно увеличит количество и, следовательно, вес стекла, необходимого для ее изготовления. Чтобы избежать этого, мы можем использовать линзу Френеля, особая форма которой уменьшает толщину такой линзы всего до нескольких миллиметров или меньше», — объясняет доктор Сосницки.
Благодаря своей гораздо меньшей толщине линзы Френеля используются в самых разных областях применения, включая автомобильные фары, маяки, железнодорожные сигналы и даже камеры смартфонов. «В ходе нашего исследования мы разработали временной эквивалент такой линзы, которую мы называем временной линзой Френеля», — продолжает доктор Сосницки.
Сильный эффект без разрушения линзы
Чтобы создать временную линзу, исследователи воспользовались электрооптическим эффектом, проявляемым некоторыми кристаллами. Это позволяет изменять показатель преломления кристалла (в данном случае ниобата лития) в зависимости от изменений приложенного к нему внешнего электрического поля. Используя быстрые электрические сигналы, можно добиться изменяющейся во времени оптической толщины кристалла, в котором затем реализуется временная линза.
«Этот эффект имеет свои ограничения, так как чрезмерно сильное электрическое поле может разрушить кристалл. В разработанном нами методе мы поэтапно увеличиваем показатель преломления, подобно пространственной линзе Френеля. Таким образом, мы достигаем сильного эффекта без разрушения хрусталика, что, в свою очередь, позволяет проводить более обширные модификации квантовых световых импульсов», — объясняет доктор Карпински.
Такие «поэтапные» операции требуют использования сверхбыстрой микроволновой электроники. «Для сравнения — высокоскоростные сети Wi-Fi или 5G работают в диапазонах частот примерно от 3 до 5 ГГц, тогда как наши сигналы более чем в 7 раз быстрее, с частотами до 35 ГГц», — добавляет доктор Сосницки.
В ходе дальнейших исследований ученые с физического факультета Калифорнийского университета протестируют взаимодействие между различными типами платформ квантовой обработки информации и увеличат дальность передачи фотонов. «До сих пор мы передавали одиночные фотоны между устройствами в одной лаборатории. Далее мы попытаемся осуществить такие перемещения между разными зданиями и даже городами», — добавляет доктор Михал Карпински.
Работа, выполненная группой доктора Михала Карпински, является важным шагом на пути к созданию квантовых сетей — как небольших, которые могут быть использованы в одном квантовом компьютере, так и обширных, обеспечивающих передачу квантовой информации между квантовыми компьютерами в разных частях мира, что приводит к появлению квантовой Интернет.
More information: Filip Sośnicki, Interface between picosecond and nanosecond quantum light pulses, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01214-z. www.nature.com/articles/s41566-023-01214-z
Provided by Nature Photonics