Periodically poled thin-film lithium niobate ring Mach Zehnder coupling interferometer as an efficient quantum source of light

In de zoektocht naar het bouwen van een nieuw soort computer die werkt volgens de wetten van de kwantummechanica, richten wetenschappers zich op licht. In tegen tegenstelling tot traditionele computers die elektrische schakelaars gebruiken om informatie te verwerken, vertrouwen deze toekomstige machines op individuele lichtdeeltjes, genaamd fotonen, om berekeningen uit te voeren en gegevens over te dragen. Om deze visie werkelijkheid te laten worden, hebben ingenieurs twee zeer specifieke soorten lichtbronnen nodig. De eerste is een machine die op aanvraag, één voor één, individuele fotonen kan uitspugen met perfecte timing en zonder extra ruis. De tweede is een bron die "geperste" (squeezed) licht produceert, een speciale staat waarin de onzekerheid van de eigenschappen van het licht wordt verminderd onder de normale limiet, een kenmerk dat essentieel is voor een andere tak van kwantumcomputing en ultra-gevoelige detectie. De uitdaging is het creëren van een enkel apparaat dat beide taken efficiënt kan uitvoeren, met een laag vermogen en in een formaat dat klein genoeg is om op een computerchip te passen.

Een team onderzoekers bij Nokia Bell Labs heeft een ontwerp voorgesteld dat aan deze veeleisende eisen voldoet door twee klassieke optische concepten te combineren in een enkele, afstembare structuur. Ze beschrijven een apparaat dat is gebouwd van een dunne film lithiumniobaat, een kristal dat bekend staat om zijn vermogen om licht te manipuleren, die in de vorm van een ringresonator is gevormd. Deze ring is verbonden met een Mach-Zehnder-interferometer, een opstelling die licht in twee paden splitst en vervolgens weer samenbrengt. De belangrijkste innovatie ligt in de manier waarop de onderzoekers warmte gebruiken om het apparaat te besturen. Door minuscule verwarmingselementen op de chip te plaatsen, kunnen ze de temperatuur van de lichtpaden nauwkeurig aanpassen. Deze thermische afstemming stelt hen in staat om te veranderen hoe het licht de ring binnenkomt en verlaat zonder de fysieke structuur van de chip te hoeven wijzigen. Deze flexibiliteit is cruciaal omdat het hen in staat stelt het apparaat te optimaliseren voor twee zeer verschillende taken: het genereren van geperst licht en het creëren van enkelvoudige fotonen.

Wanneer de onderzoekers het gedrag van dit apparaat simuleerden, ontdekten ze dat het als een zeer efficiënte motor kan fungeren voor het genereren van geperst licht. Door het apparaat te pompen met een laserstraal op een specifieke golflengte, toonden ze aan dat de ring een staat van licht kan produceren waarbij de ruis in één eigenschap wordt onderdrukt. Hun berekeningen geven aan dat het apparaat met een zeer laag pompvermogen, minder dan één milliwatt, een squeezing-niveau van min 12 decibel kan bereiken. Dit is een aanzienlijk resultaat, omdat eerdere pogingen om dergelijk licht op een chip te creëren vaak veel meer vermogen vereisten of een lagere kwaliteit opleverden. Bovendien stelt het ontwerp hen in staat om het apparaat af te stemmen om zelfs hogere niveaus van squeezing te bereiken, tot min 19 decibel, als ze bereid zijn iets meer vermogen te gebruiken. Het vermogen om dit met een dergelijke lage energieconsumptie te doen is essentieel, aangezien het betekent dat het apparaat potentieel gevoed kan worden door kleine, op de chip geïntegreerde lasers in plaats van volumineuze externe apparatuur.

Hetzelfde apparaat bleek ook in staat te zijn om enkelvoudige fotonen te genereren, die de bouwstenen vormen voor lineaire optische kwantumcomputing. Hiervoor simuleerden de onderzoekers een proces waarbij een foton uit de pompstraal in de ring splitst in een paar fotonen. Eén van deze fotonen fungeert als een signaal, terwijl de andere dient als een heralding (een aankondiging), die bevestigt dat het signaalfoton is gecreëerd. Het team kwam tot de conclusie dat ze, door de temperatuur van de interferometer zorgvuldig aan te passen, de heralding-efficiëntie — de waarschijnlijkheid dat een geherald foton daadwerkelijk bestaat — konden bereiken van 94 tot 99 procent. Deze hoge efficiëntie is noodzakelijk om ervoor te zorgen dat de kwantumcomputer geen tijd verspilt aan het wachten op fotonen die nooit arriveren. Een veelvoorkomend probleem in dergelijke systemen is echter dat de fotonen vaak "onzuiver" zijn, wat betekent dat ze verstrengeld zijn met andere eigenschappen op een manier die hun bruikbaarheid voor complexe berekeningen ruïneert.

Om het zuiverheidsprobleem op te lossen, stelden de onderzoekers een slimme modificatie voor van de manier waarop het apparaat wordt gepompt. In plaats van een enkele, continue lichtpuls te gebruiken, simuleerden ze het gebruik van twee korte pulsen die gescheiden zijn door een fractie van een seconde. Deze dual-pulse benadering stelde hen in staat om de ongewenste verbindingen tussen de fotonen te verbreken, wat resulteerde in een zuiverheid van tot wel 99 procent, terwijl de hoge heralding-efficiëntie behouden bleef. Hoewel deze methode aanvankelijk leek de snelheid waarmee fotonen worden gegenereerd te verlagen, merkten de onderzoekers op dat dit verlies gemakkelijk kan worden hersteld door simpelweg het piekvermogen van de pomp-pulsen te verhogen. De simulaties suggereren dat met een standaard herhalingssnelheid en pulsduur, een bescheiden verhoging van het vermogen de generatiesnelheid kan herstellen naar niveaus die vergelijkbaar zijn met minder zuivere methoden.

Het voorgestelde ontwerp steunt volledig op materialen en fabricagetechnieken die vandaag de dag al beschikbaar zijn. Het gebruik van dunne film lithiumniobaat en standaard thermische verwarmers betekent dat dit apparaat geproduceerd kan worden met bestaande industriële processen, wat het een praktische stap voorwaarts maakt in plaats van een theoretische curiositeit. Door aan te tonen dat een enkele, afstembare ringresonator zowel hoogwaardig geperst licht als zuivere enkelvoudige fotonen kan produceren, hebben de onderzoekers een algemene oplossing geboden voor de twee meest kritieke behoeften in fotonische kwantumcomputing. Hun werk suggereert dat de weg naar schaalbare kwantumcomputers mogelijk niet vereist dat er volledig nieuwe materialen of onmogelijke technische hoogstandjes worden gebruikt, maar eerder de intelligente en precieze controle van licht binnen een chip die al binnen handbereik is.