Слияние фотонов открывает новые перспективы квантовой обработки данных

От первом наблюдении взаимодействия в нелинейном оптическом волноводе пары индивидуальных фотонов с длинами волн, используемыми в телекоммуникациях, сообщается в очередном выпуске Physical Review Letters.

В большинстве известных демонстраций фотон-фотонного взаимодействия используется явление нелинейного отклика атомов в газе, как правило, при очень низких температурах. В таких процессах фотоны должны вступать в резонанс с частотами переходов между состояниями атомов (или искусственных атомов в твердотельных системах), то есть диапазон требуемых частот очень узок.

Оптические нелинейные процессы могут протекать более компактно в твердотельных нелинейных материалах и при комнатных температурах. Большая полоса пропускания этих материалов обеспечивает возможность взаимодействия между сверхкороткими фотонными импульсами (раскладываемыми на множество частот), что дает высокую пропускную способность. Их можно также оптимизировать к работе на избранной длине волны методом периодического опроса, при котором поляризация варьируется в направлении распространения.

С начала 90-х годов прошлого столетия областью активного изучения стало преобразование частоты квантовых сигналов посредством параметрических процессов в нелинейных материалах. Для преодоления слабой нелинейности такие методы требуют взаимодействия квантового сигнала с сильным классическим полем. Недавно были продемонстрированы спонтанные параметрические преобразования с понижением частоты и расщеплением одного фотона на два, но пониженной энергии.

Обратный процесс — слияние двух фотонов с образование одной частицы с более высокой энергией — пока непосредственно наблюдать не удавалось. Между тем такое взаимодействие между двумя квантовыми объектами, представляет особый интерес, так как может быть положено в основу конструкции квантовых логических вентилей полностью оптических систем квантовой обработки информации (Quantum Information Processing, QIP), действующих при комнатной температуре.

Тьяго Геррейро (Thiago Guerreiro) и его коллеги из Стэнфордского (Калифорния) и Женевского (Швейцария) университетов использовали для возбуждения фотон-фотонных взаимодействий периодически опрашиваемый волновод из ниобата лития (PPLN), и продемонстрировали рождение одного, высокоэнергетичного фотона в результате нелинейного взаимодействия пары фотонов телекоммуникационных частот.

По сравнению с объемными нелинейными средами волновод обеспечивает более высокую эффективность преобразования за счёт увеличенной длины взаимодействия и локализации одиночных фотонов в общем небольшом объеме пространства. Ранее авторы применяли такую же структуру нелинейного волновода, чтобы заставить фотон взаимодействовать со слабым классическим полем. В этот раз они впервые показали взаимодействие двух, индивидуально идентифицированных фотонов.

Для того, чтобы зарегистрировать желаемое межфотонное взаимодействие ученые сначала получали «идентифицированные» одиночные фотоны. Для этого кристалл PPLN накачивали 10-пикосекундными импульсами с длиной волны 532 нм. Время от времени, один фотон накачки преобразовывался в два индивидуальных фотона с длиной волны ~810 и ~1550 нм, соответственно. Таким образом, детектирование 810-нанометрового фотона автоматически означало наличие другого отдельного фотона с длиной волны ~1550 нм. Геррейро и его коллеги использовали два 810-нанометровых однофотонных детектора, сигнализирующих о появлении двух одиночных фотонов 1550 нм, которые запускались в волновод PPLN длиной 4,5 см. С очень низкой вероятностью, нелинейное взаимодействие внутри него преобразовывало их в индивидуальный фотон, имеющий более короткую длину волны (порядка 780 нм). Такие фотоны улавливались третьим детектором. Срабатывание всех трех детекторов могло служить доказательством нужного взаимодействия. Чтобы добиться полной определенности, авторы установили, что количество трехкратных совпадений более, чем в семь раз превосходит стандартное отклонение для фонового «темного» тока, исключив, таким образом, вероятность самопроизвольных срабатываний трех детекторов.

Потенциальные приложения разработанной командой Геррейро технологии, это аппаратно независимое распределение квантовых ключей и обмен достоверными перепутываниями (faithful entanglement swapping) в квантовых информационных сетях. Фотон-фотонное взаимодействие также способно генерировать новые, ранее неизвестные квантовые состояния, увеличивая ресурсы, доступные для платформ QIP. К недостаткам метода, нуждающимся в устранении, авторы публикации в Physical Review Letters относят его низкую эффективность, обусловленную слабой нелинейностью используемых материалов, и контрастирующую с высоким кпд атомных систем.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365