Pure dephasing destroys two-photon amplitude, not nonlinear phase

Auf der Suche nach dem Aufbau einer neuen Art von Computer, der Licht anstelle von Elektrizität nutzt, suchen Wissenschaftler nach Wegen, um einzelne Photonen, oder Lichtteilchen, miteinander kommunizieren zu lassen. Normalerweise fließen Lichtstrahlen ohne Wechselwirkung aneinander vorbei, wie zwei Autos auf parallelen Autobahnen. Um jedoch einen Prozessor zu bauen, müssen Forscher dafür sorgen, dass diese Lichtteilchen sich gegenseitig beeinflussen, was einen Schalter erzeugt, der ein Signal basierend auf der Anwesenheit eines anderen an- oder ausschaltet. Ein vielversprechender Weg, dies zu erreichen, besteht darin, ein winziges, künstliches Atom, bekannt als Quantenemitter, in einem mikroskopischen Kanal zu platzieren, der das Licht leitet. Wenn ein einzelnes Photon auf diesen Emitter trifft, kann es absorbiert und wieder emittiert werden, aber mit einer entscheidenden Wendung: Die Welle des Lichts klappt in ihrer Form um, was effektiv einen positiven Peak in einen negativen verwandelt. Dieses Umklappen ist eine spezifische Änderung der Phase des Lichts, einer Eigenschaft, die bestimmt, wie Wellen miteinander in Linie stehen. Wenn dieses System perfekt funktioniert, könnte es als grundlegender Baustein für Quantennetzwerke dienen und komplexe Berechnungen mit Licht ermöglichen.

Die Herausforderung besteht darin, dass die reale Welt chaotisch ist. Die in diesen Experimenten verwendeten künstlichen Atome sind Festkörperbauteile, was bedeutet, dass sie aus Materialien bestehen, die aufgrund ihrer Umgebung ständig zittern und vibrieren. Diese Vibrationen führen dazu, dass der Atom seinen internen Rhythmus verliert, ein Prozess, den Wissenschaftler als reine Dephasierung bezeichnen. Jahrelang nahmen Theoretiker an, dass dieser Verlust des Rhythmus den empfindlichen Phasenwechsel einfach verschwimmen ließe, was den Schalter weniger effektiv machen oder den Winkel des Wechsels verändern würde. Die vorherrschende Sorge war, dass mit einer unruhiger werdenden Umgebung das präzise Timing der Lichtwelle driften würde, was das Logikgatter ruinieren würde. Diese Unsicherheit war ein großes Hindernis für die Gestaltung zuverlässiger Quantennetzwerke, da Ingenieure wissen müssen, ob diese Komponenten unter realen Bedingungen bestehen können.

Ein Team von Forschern der Queen's University hat diese Frage nun durch eine präzise theoretische Untersuchung geklärt. Sie berechneten exakt, was mit einem Lichtpuls geschieht, der zwei Photonen enthält, wenn er auf einen verrauschten, vibrierenden Emitter trifft. Ihre Arbeit offenbart eine überraschende Wahrheit: Das Rauschen lässt den Phasenwechsel überhaupt nicht verschwimmen. Stattdessen bleibt der Phasenwechsel exakt auf demselben Winkel festgeschrieben, unabhängig davon, wie sehr der Emitter zittert. Das Rauschen dreht die Welle nicht; es macht die Welle lediglich kleiner. Die Forscher fanden heraus, dass, während die Stärke des das Phaseninformations tragenden Signals abnimmt, wenn die Umgebung verrauschter wird, die Richtung dieses Signals perfekt fixiert bleibt. Die Phase ist festgeschrieben, nicht rotiert.

Diese Entdeckung verändert unser Verständnis vom Versagen dieser Systeme. Es stellt sich heraus, dass das Problem nicht ein Verlust der korrekten Logik ist, sondern ein Verlust der Signalstärke. Die Forscher zeigten, dass das Rauschen die Amplitude zerstört, also die Höhe oder Stärke der Lichtwelle, anstatt die Phase, also das Timing der Welle. In einer perfekten Welt würden ein einzelnes Photon und ein Paar von Photonen beide um denselben Betrag gedimmt werden, wenn das System unvollkommen wäre. Die Studie ergab jedoch, dass das Rauschen sie unterschiedlich behandelt. Das Zwei-Photonen-Signal übersteht das Rauschen viel besser als das Einzel-Photonen-Signal. Das bedeutet, dass das System nicht einfach nur leiser wird; es verändert seinen Charakter. Das Gleichgewicht zwischen der Art und Weise, wie das System ein einzelnes Photon gegenüber zwei Photonen handhabt, verschiebt sich auf eine Weise, die nicht durch einfaches Justieren der Regler an der Maschine behoben werden kann.

Die Forscher validierten ihre Ergebnisse, indem sie ihre neuen mathematischen Formeln mit einer anderen, hochdetaillierten Simulationsmethode verglichen, die jeden möglichen Zustand des Systems verfolgt. Die beiden Methoden stimmten perfekt überein und bestätigten, dass ihre neuen Formeln korrekt sind. Sie überprüften ihre Ergebnisse auch im Vergleich zu älteren Theorien, die gar kein Rauschen annahmen, und stellten fest, dass ihr neuer Ansatz mit diesen älteren Ergebnissen übereinstimmte, wenn das Rauschen ausgeschaltet war. Dies gibt ihnen eine hohe Zuversicht in die Genauigkeit ihrer Beschreibung des verrauschten Systems. Ein wesentlicher Teil ihrer Arbeit bestand darin, einen häufigen Fehler bei der Berechnung des Verhaltens von zwei Photonen zu korrigieren. Frühere Methoden gingen davon aus, dass das Verhalten von zwei Photonen vorhergesagt werden könne, indem man einfach das Verhalten von zwei einzelnen Photonen miteinander multipliziert. Die Forscher bewiesen, dass diese Annahme in dem Moment zusammenbricht, in dem Rauschen eingeführt wird, was zu signifikanten Fehlern bei der Vorhersage führt, wie viele Photonenpaare überleben werden.

Die Auswirkungen für den Bau von Quantencomputern sind tiefgreifend. Da die Phase exakt korrekt bleibt, selbst wenn das Signal schwächer wird, bleibt die grundlegende Logik des Schalters erhalten. Da jedoch die Tatsache, dass die Signalstärke sinkt und dass Einzel- und Doppelphotonen unterschiedlich beeinflusst werden, bedeutet, dass Ingenieure das Rauschen nicht einfach als eine allgemeine Abdimmung des Lichts behandeln können. Sie müssen eine spezifische Verzerrung berücksichtigen, die in der Art und Weise entsteht, wie das System unterschiedliche Anzahlen von Photonen handhabt. Diese Verzerrung ist eine feste Eigenschaft des Materials und der Umgebung, was bedeutet, dass sie nicht durch Software „wegtrainiert“ oder korrigiert werden kann. Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass, obwohl das Phasengatter in Bezug auf das Timing wie vorgesehen funktioniert, der Preis ein Verlust an Kontrast ist, wobei das Signal schwieriger vom Hintergrund zu unterscheiden wird. Diese Erkenntnis bietet eine klare Roadmap für zukünftige Designs und zeigt, dass der Fokus von dem Versuch, die Phase zu korrigieren, hin zum Management des ungleichen Signalstärkeverlusts verschoben werden muss.