Temporally multiplexed ion-photon quantum interface via fast ion-chain transport

Stel je het internet voor, maar in plaats van het versturen van e-mails en kattenfilmpjes, stuurt het de meest fragiele, magische dingen in het universum: kwantuminformatie. Om dit "Quantum Internet" te bouwen, moeten wetenschappers computers op afstand met elkaar verbinden met behulp van piepkleine lichtdeeltjes die fotonen worden genoemd. Het lastige deel is dat deze computers meestal gemaakt zijn van materie (zoals gevangen atomen of ionen), en het laten communiceren van die materie met licht zonder de boodschap te verliezen, is als proberen een gesprek te voeren met een spook terwijl je een glas water vasthoudt. Je hebt een super-snelle, super-betrouwbare vertaler nodig.

Het grote probleem is snelheid. Momenteel zijn deze vertalers traag omdat ze moeten wachten op een "ja" of "nee"-signaal van ver weg, en licht heeft tijd nodig om te reizen. Als je 100 kilometer verwijderd bent, is dat wachten ongeveer een milliseconde. In de wereld van quantumcomputing is een milliseconde een eeuwigheid. Om dit op te lossen, gebruiken wetenschappers een truc genaamd "multiplexing". Denk aan een drukke snelweg: in plaats van één auto die een brug probeert over te steken en wacht tot de andere kant vrij is, stuur je in één keer een heel konvooi auto's. Als één auto vast komt te zitten, blijven de anderen gewoon doorrijden. Dit artikel onderzoekt een manier om een "quantum-snelweg" te bouwen met gevangen ionen, waarbij we niet slechts één bericht tegelijk sturen, maar een hele parade van berichten, ongelooflijk snel.

De Quantum Bus: Ionen Versnellen om Licht te Maken

In dit onderzoek besloten een team onderzoekers van UC Berkeley en Lawrence Berkeley National Laboratory een nieuwe manier te proberen om deze quantumverbindingen te maken. In plaats van negen verschillende ionen stil te laten zitten op negen verschillende plekken, besloten ze negen calciumionen in een lijn te plaatsen en ze fysiek te bewegen als een trein. Hun doel was om een "temporeel gemultiplexed" interface te crengen, wat een chique manier is om te zeggen dat ze wilden proberen negen pogingen tot het maken van een quantumverbinding in de tijd te persen die normaal gesproken slechts één poging kost.

Zo werkt hun "quantum bus". Ze vingen een keten van negen calciumionen in een magnetische en elektrische kooi (een Paul-trap). Normaal gesproken, om een ion een enkel foton te laten uitspugen, moet je een specifieke laserstraal op het ion richten. Als je negen ionen hebt, moet je er normaal gesproken één voor één op richten, wat tijd kost. Maar dit team deed iets slims: ze bestraalden de hele keten met een koellaser en gebruikten vervolgens elektrische velden om de hele keten van ionen fysiek heen en weer te pendelen over een minuscule afstand van 74 micrometer (dat is minder dan de breedte van een menselijk haar).

Terwijl de keten bewoog, zetten ze een laserstraal aan die alleen het ion raakte dat op dat moment door het midden passeerde. Het is als een lopende band van mensen die langs een fotograaf lopen; de fotograaf maakt alleen een foto wanneer de juiste persoon voor de lens staat. Door de ionen snel genoeg te bewegen, konden ze een foto maken van Ion 1, dan Ion 2, dan Ion 3, allemaal in de tijd die het vroeger kostte om alleen Ion 1 te doen. Ze slaagden erin de hele keten van negen ionen in slechts 86 microseconden over die kleine opening te bewegen. Dat is ongelooflijk snel—ongeveer de tijd die een kolibrie nodig heeft voor één vleugelslag.

Werkte het? De "vingerafdruk" van een enkel foton

De onderzoekers moesten bewijzen dat ze daadwerkelijk enkelvoudige fotonen kregen en niet slechts een rommelige spray van licht van meerdere ionen tegelijk. Hiervoor maten ze iets dat de "tweede-orde correlatiefunctie" wordt genoemd, wat een beetje lijkt op controleren of twee fotonen op exact hetzelfde moment aankomen. Als dat zo is, betekent het dat de bron rommelig is. Als dat niet zo is, betekent het dat de bron schoon is en één foton tegelijk produceert.

Het team kwam tot de conclusie dat hun "quantum bus" uitstekend werkte. Ze maten een waarde van g(2)(0) = 0,060(13). In de wereld van de kwantumfysica is een getal dicht bij nul een enorme overwinning; het betekent dat de fotonen zeer "zuiver" zijn en niet afkomstig zijn van de verkeerde ionen. Dit resultaat suggereert dat de "crosstalk" (wanneer de laser per ongeluk het verkeerde ion raakt) slechts ongeveer 1% bedroeg. De auteurs merken op dat dit in de toekomst nog beter gemaakt kan worden door het licht te koppelen aan een single-mode vezel, die als een superstrakke tunnel voor de fotonen zou fungeren en elk ongewenst licht zou blokkeren.

De Bumpy Ride: Wanneer de Bus Schudt

Het verplaatsen van een keten van ionen op die snelheid gaat echter niet zonder problemen. Stel je voor dat je in een bus rijdt die plotseling versnelt en stopt; je zou alle kanten op worden geslingerd. De ionen worden ook alle kanten op geslingerd en trillen in hun val. Dit wordt "motionele excitatie" genoemd, en dat is slecht nieuws, want als de ionen te veel trillen, wordt het moeilijk om de delicate kwantumoperaties uit te voeren die later nodig zijn.

Het team mat hoeveel de ionen schudden na hun snelle rit. Ze vonden dat de "center-of-mass" modus (waarbij de hele keten samen vibreert) werd geëxciteerd tot een gemiddelde van $\bar{n}_\alpha \approx 110$. Dit betekent dat de ionen behoorlijk trilden—veel meer dan wanneer ze gewoon stil zouden zitten. De onderzoekers gebruikten computersimulaties om te proberen te begrijpen waarom ze zo schudden. Ze ontdekten dat hun modellen voorspelden dat de ionen rustiger zouden zijn dan ze in werkelijkheid waren, vooral wanneer het transport plaatsvond in ongeveer 160 tot 170 microseconden. Dit suggereert dat, hoewel ze een werkend prototype hebben, er nog steeds enige "diabatische" (plotselinge en schokkerige) fysica plaatsvindt die hun huidige modellen niet volledig vatten. Ze vermoeden dat de ionen hun bewegingen op manieren mengen die ze nog niet volledig in kaart hebben gebracht.

Wat Nu?

Dit artikel is een "proof-of-principle", wat betekent dat het aantoont dat het idee in de echte wereld werkt, zelfs als het nog niet perfect is. De auteurs stellen voor dat als ze de val strakker kunnen maken (door gebruik te maken van 3D-geprinte micro-traps) of de manier waarop ze de ionen bewegen optimaliseren, ze dit zelfs nog sneller kunnen doen. Ze wijzen er ook op dat deze methode uiteindelijk gecombineerd kan worden met minuscule spiegels (cavities) om de fotonen nog efficiënter op te vangen.

Ho แมewel de huidige opstelling last heeft van wat schudden en een beetje laser-"crosstalk", is de kern van het idee solide: door een keten van ionen fysiek te verplaatsen, kun je de snelheid waarmee je probeert kwantumverbindingen te maken vermenigvuldigen. Dit legt de basis voor een toekomst waarin kwantumnetwerken over lange afstanden met elkaar kunnen communicen met snelheden die voorheen als onmogelijk werden beschouwd. De weg is nu nog een beetje hobbelig, maar de bus rijdt in ieder geval.