Výzkumníci prokázali vysoce viditelnou kvantovou interferenci mezi dvěma nezávislými polovodičovými kvantovými tečkami – důležitý krok směrem ke škálovatelným kvantovým sítím.
Loňská Nobelova cena za fyziku oslavila základní zájem o kvantové provázání a také si představila potenciální aplikace ve „druhé kvantové revoluci“ – nové době, kdy jsme schopni manipulovat s podivnostmi kvantové mechaniky, včetně kvantové superpozice a zapletení. Rozsáhlá a plně funkční kvantová síť je svatým grálem kvantových informačních věd. Otevře to novou hranici fyziky s novými možnostmi pro kvantové výpočty, komunikaci a metrologii.
Jednou z nejvýznamnějších výzev je rozšířit vzdálenost kvantové komunikace do prakticky použitelného měřítka. Na rozdíl od klasických signálů, které lze bezhlučně zesílit, nelze kvantové stavy v superpozici zesílit, protože je nelze dokonale naklonovat. Proto vysoce výkonná kvantová síť vyžaduje nejen ultra nízkoztrátové kvantové kanály a kvantovou paměť, ale také vysoce výkonné kvantové světelné zdroje. V poslední době došlo k vzrušujícímu pokroku v oblasti satelitní kvantové komunikace a kvantových opakovačů, ale nedostatek vhodných jednofotonových zdrojů brzdil další pokroky.
Co je požadováno od jednofotonového zdroje pro aplikace kvantové sítě? Nejprve by měl emitovat jeden (pouze jeden) foton najednou. Za druhé, k dosažení jasu by jednofotonové zdroje měly mít vysokou účinnost systému a vysokou opakovací frekvenci. Za třetí, pro aplikace, jako je kvantová teleportace, která vyžaduje rušení nezávislými fotony, by jednotlivé fotony měly být nerozeznatelné. Mezi další požadavky patří škálovatelná platforma, laditelná a úzkopásmová šířka linky (vhodná pro časovou synchronizaci) a propojitelnost s hmotnými qubity.
Slibným zdrojem jsou kvantové tečky (QD), polovodičové částice o velikosti pouhých několika nanometrů. V posledních dvou desetiletích však viditelnost kvantové interference mezi nezávislými QD zřídka překročila klasický limit 50 % a vzdálenosti byly omezeny na přibližně několik metrů nebo kilometrů.
Jak je uvedeno v Pokročilá fotonika, mezinárodní tým výzkumníků dosáhl vysoce viditelné kvantové interference mezi dvěma nezávislými QD spojenými s ~ 300 km optickými vlákny. Uvádějí účinné a nerozeznatelné jednofotonové zdroje s ultranízkým šumem, laditelnou jednofotonovou frekvenční konverzí a přenosem dlouhých vláken s nízkou disperzí. Jednotlivé fotony jsou generovány z rezonančně řízených jednotlivých QD deterministicky spojených s mikrodutinami. Kvantové frekvenční konverze se používají k odstranění nehomogenity QD a posunutí vlnové délky emise do telekomunikačního pásma. Pozorovaná viditelnost interference je až 93 %. Podle vedoucího autora Chao-Yang Lu, profesora na University of Science and Technology of China (USTC), „Proveditelná vylepšení mohou dále prodloužit vzdálenost na ~600 km.“
Lu poznamenává: "Naše práce přeskočila z předchozích kvantových experimentů založených na QD v měřítku od ~1 km do 300 km, tedy o dva řády větší, a otevírá tak vzrušující vyhlídky na kvantové sítě v pevné fázi." S tímto hlášeným skokem se úsvit kvantových sítí v pevné fázi může brzy začít zlomit.
Reference: „Kvantová interference s nezávislými jednofotonovými zdroji přes 300 km vlákna“ od Xiang You, Mingyang Zheng, Si Chen, Run-Ze Liu, Jian Qin, Mo-Chi Xu, Zheng-Xuan Ge, Tung-Hsun Chung, Yu -Kun Qiao, Yang-Fan Jiang, Han-Sen Zhong, Ming-Cheng Chen, Hui Wang, Yu-Ming He, Xiu-Ping Xie, Hao Li, Li-Xing You III, Christian Schneider, Juan Yin, Teng-Yun Chen, Mohamed Benyoucef, Yong-Heng Huo, Sven Höfling, Qiang Zhang, Chao-Yang Lu a Jian-Wei Pan, 27. prosince 2022, Pokročilá fotonika.
DOI: 10.1117/1.AP.4.6.066003
