世界上最有效的单光子源使用时间复用创建

kwiat的实验室

KWIAT实验室物理学实验室实验室的实验设置。信贷:SIV Schwink /伊利诺伊大学物理系

Quantum信息科学的下一代单光子源:Kwiat集团实现了最有效的单光子生产。

在过去的二十年中,量子信息科学领域取得了巨大进步。科学家正在利用量子力学的奇怪性质来解决计算和通信中的难题,以及传感和测量精细系统。该领域的一个研究途径是光学量子信息处理,它使用具有独特量子特性的光子微小的光颗粒。

推动量子信息科学研究的一个关键资源将是一种能够有效和可靠地产生单光子的资源。然而,由于量子过程本质上是随机的,要想创造一个按需产生单光子的光子源,每一步都面临挑战。

现在伊利诺伊大学物理学教授Paul Kwiat教授和他的前博士后研究员Fumihiro Kaneda(现在是Tohoku大学的跨学科科学研究所的助理教授)建立了Kwiat认为是“世界上最有效的单光子来源”。他们仍在改善它。通过计划升级,该装置可以在前所未有的效率下产生30个光子的向上。该口径的来源正是光学量子信息应用所需的内容。

保罗·凯威特

伊利诺伊大学香槟分校物理学教授Paul Kwiat说。资料来源:Bill Wiegand/Illinois Physics

研究人员目前的调查结果是网上发布科学的进步2019年10月4日。

KWIAT解释说:“一位光子是最小的光单位:爱因斯坦在1905年引入了这一概念,标志着量子力学的曙光。如今,光子是量子计算和通信中的建议资源 - 其独特的属性使其成为一种优秀的候选者作为量子位或Qubit。“

“光子在日常生活的普通温度下快速地移动量子态的长距离传输,并表现出普通温度的量子现象,”kaneda增加。“其他有希望的困难和超导电流的额外候选者,在隔离和极冷的条件下仅稳定。因此,按需单光子源的开发对于实现量子网络至关重要,并且可能使小型室温量子处理器能够。“

迄今为止,有用的预示单光子的最大发电效率非常低。

为什么?量子光学研究人员经常使用称为自发参数的非线性光学效应(SPDC)来生产光子对。在设计的晶体中,在包含数十亿光子的激光脉冲内,可以将单个高能量光子分成一对低能量光子。生产光子对至关重要:检测到的两个中的一个 - 这会破坏它 - 到“先驱”存在另一个,光子源的单光子输出。

但是使得从一个到两个光子的量子转换是发生的,这是针对所有可能性的。

“SPDC是一个量子过程,它不确定源是否会产生什么,或者一对或两对,”Kwiat Notes。“产生恰好一对单个光子的可能性至多25%。”

日本东北大学跨学科科学前沿研究所的物理学教授金田文博。Kaneda是伊利诺伊州伊利诺伊大学物理系Kwiat集团前任博士后研究员。

kaneda fumihiro

日本东北大学跨学科科学前沿研究所的物理学教授金田文博。Kaneda是伊利诺伊州伊利诺伊大学物理系Kwiat集团前任博士后研究员。信誉:伊利诺伊州伊利诺伊大学物理系

Kwiat和Kaneda用一种叫做时间复用的技术解决了SPDC中这种低效率的问题。对于每一次运行,SPDC源以相同的间隔脉冲40次,产生40个“时间箱”,每个可能包含一对光子(尽管这种情况很少发生)。每产生一个光子对,光子对中的一个光子就触发一个光开关,这个光开关将姐妹光子传送到一个光学延迟线的临时存储中——一个由镜子形成的闭环。通过知道光子何时进入循环(何时触发光子被检测到),研究人员就能准确地知道在切换光子之前要保持多少个循环。这样,无论这40个脉冲中哪一个产生了这对光子,存储的光子总是可以同时被释放。一旦所有40个脉冲都发生了,所有存储的光子一起释放,就好像它们来自同一个时间箱一样。

Kwiat评论道:“把一堆不同的可能性,所有不同的时间框,映射到一个,这极大地提高了你能看到一些东西的可能性。”

脉冲源40次基本上保证为每个运行产生至少一个光子对。

更重要的是,储存光子的延迟线每个周期的损失率只有1.2%;因为源被脉冲很多次,所以低损耗率是至关重要的。否则,前几个脉冲产生的光子很容易丢失。

当光子最终被释放时,它们被高效地耦合到单模光纤中。这是光子在量子信息应用中需要达到的状态。

奎亚特指出,以这种方式产生光子的效率提高是显著的。例如,如果一个应用程序需要一个12光子源,可以将6个独立的SPDC源排列在一起,等待每个源同时产生一对光子的事件发生。

Kwiat指出:“目前,世界上使用这些多光子态的最好的竞争实验必须等待大约两分钟,才能得到一个这样的事件。”“它们以每秒8000万次的速度脉冲——它们尝试得非常非常频繁——但大约每两分钟才会发生一次这样的事件,每个源产生恰好一个光子对。

“我们可以根据我们的利率计算我们能够生产类似的东西的可能性。We’re actually driving quite a bit slower, so we’re only making the attempt every 2 microseconds—they’re trying it 160 times as often—but because our efficiency is so much higher using multiplexing, we’d actually be able to produce something like 4,000 12-photon events per second.”

换句话说,KWIAT和Kaneda的生产率速度速度速度速度约为500万。

但是,随着KWIAT的说明,一些问题仍有待解决。一个问题源于下转换过程的随机性质:有机会代替单个光子对,可以生产多个光子对。此外,由于该实验中使用的下转换过程比较低效率,所以源以更高的速率“驱动”,因此增加了这种不需要的多对的概率。

甚至占潜在的多光子事件,这个实验的效率水平是世界纪录。

所以接下来是什么,KWIAT团队将如何解决这些罕见的不需要的多光子活动?

Colin Lualdi是一家在KWIAT的研究组工作的当前研究生,正在努力升级使用光子号码解析探测器来升级,在触发延迟线以存储它们之前会丢弃MultiPhoton事件。这种改进将完全消除MultiÅonon事件的问题。

另一个持续研究KWIAT团队的领域将提高单光子源设备的各个部件的效率。Lualdi认为未来的改进将推动单光子生产的速度远远超出当前实验。

“最终目标是能够准备单个纯量子状态,我们可以用来以超越经典方法的方式编码和处理信息,”Lualdi解释说。“这就是为什么这些来源产生单一的光子。如果源意外地生成两个光子而不是一个,那么我们没有我们需要的基本构建块。“

为了能够用这些光子Qubits执行任何类型的有意义的量子信息处理,需要大量的电源。

随着KWIAT所说,“该领域正在超越仅仅是一个或两个光子的实验。人们现在正在尝试在10到12光子上进行实验,最终我们希望有50到100个照片。“

KWIAT推断出对这项工作所做的改进可以铺平朝向高效率产生30多个光子的能力。KWIAT和Kaneda的结果让我们更接近制作光学量子信息处理现实的一步。

参考:“通过大规模主动时间复用的高效单光子生成”由F.Kaneda和P. G. Kwiat,2019年10月4日,科学的进步
DOI: 10.1126 / sciadv.aaw8586

1条评论在“世界上最有效的单光子源使用时间复用创建”

  1. 牛顿先生推出了光子的概念吗?封装的能量和量子理论约为1850年MR M MRADAY提到了它

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