Waveguide-array-based multiplexed photonic interface for atom array

De toekomst van het internet kan afhangen van een nieuw soort verbinding, een die niet rust op het verzenden van bits aan informatie via koperdraden of glasvezels, maar op het verzenden van de essentie van materie zelf. Dit is het domein van quantumnetwerken, een veld dat zich toelegt op het koppelen van quantumcomputers zodat ze problemen kunnen oplossen die te groot zijn voor een enkele machine om alleen aan te pakken. Om een dergelijk netwerk te bouwen, hebben wetenschappers een manier nodig om stationaire quantumbits, die fungeren als het geheugen en de processors, te koppelen aan vliegende lichtdeeltjes die informatie tussen hen heen en weer dragen. De uitdaging ligt in de enorme schaal die vereist is; een nuttig quantumnetwerk moet vele verbindingen tegelijkertijd kunnen verwerken, niet slechts één. Stel je voor dat je probeert een snelwegensysteem te bouwen waarbij elke auto perfect in zijn eigen specifieke rijstrook moet worden geleid zonder ooit de auto naast hem aan te raken. Als de rijstroken te dicht bij elkaar liggen, botsen de auto's tegen elkaar op, waardoor de delicate informatie die ze dragen in de war wordt gestuurd. Jarenlang hebben onderzoekers geprobeerd licht van veel afzonderlijke quantumbronnen naar afzonderlijke kanalen te leiden zonder deze interferentie, een hindernis die grootschalige quantumnetwerken buiten bereik heeft gehouden.

In een recente doorbraak heeft een team van onderzoekers een praktische oplossing voor dit probleem gedemonstreerd door een gespecialiseerde interface te creëren die licht van een array van atomen naar een dicht raster van optische kanalen leidt. De wetenschappers werkten met een rij individuele rubidiumatomen, gekoeld tot temperaturen nabij het absolute nulpunt en op hun plaats gehouden door onzichtbare lichtbundels. Deze atomen fungeren als de quantumprocessors, in staat om enkelvoudige lichtdeeltjes, of fotonen, te genereren die verstrengeld zijn met de toestand van het atoom zelf. Het doel was om deze fotonen te vangen en ze in een chip-gebaseerd apparaat te leiden dat dertig twee afzonderlijke kanalen bevat, waarbij wordt gewaarborgd dat het foton van één specifiek atoom alleen in zijn toegewezen kanaal gaat en niet in dat van zijn buren. De onderzoekers slaagden erin fotonen van tien verschillende atomen naar tien afzonderlijke kanalen binnen dit raster te leiden, waarmee werd bewezen dat het mogelijk is om meerdere quantumverbindingen gelijktijdig te beheren zonder dat de signalen in elkaar overvloeien.

Het experiment vond plaats in een vacuümkamer waar de rubidiumatomen in een eendimensionale lijn waren gevangen, met een tussenruimte van slechts 7,5 micrometer. Om het zwakke licht uitgezonden door deze atomen op te vangen, gebruikte het team een krachtig lenssysteem dat het beeld van de atoomarray vergrootte en het op een glazen chip projecteerde. Deze chip, bekend als een fotonische geïntegreerde circuit, bevatte een dicht array van golfgeleiders — minuscule kanalen uitgehouwen in het glas die fungeren als tunnels voor licht. De afstand tussen deze kanalen was 25 micrometer, een afstand die zorgvuldig is gekozen om overeen te komen met het vergrote beeld van de atomen. Door een computergestuurd systeem te gebruiken om de positie van de atomen met extreme precisie aan te passen, zorgden de onderzoekers ervoor dat elk atoom perfect voor zijn overeenkomstige golfgeleider zat. Deze uitlijning was cruciaal; zelfs een kleine verschuiving zou ertoe hebben geleid dat het licht zijn doel miste of overstroomde naar het verkeerde kanaal.

Zodra de uitlijning was geoptimaliseerd, testte het team het systeem door de atomen te exciteren en het licht te meten dat aan de andere kant van de chip naar buiten kwam. Ze ontdekten dat de fotonen van elk van de tien atomen succesvol naar hun respectieve kanalen werden geleid, met een geschatte netto koppelings-efficiëntie tussen de 0,3% en 1,2%. Hoewel de auteurs deze huidige collectie-efficiëntie als relatief laag karakteriseren, demonstreerde het systeem succesvol het vermogen om meerdere signalen te routeren. Nog belangrijker is dat ze de "crosstalk" hebben gemeten, oftewel de hoeveelheid licht die per ongeluk van het ene kanaal naar het andere lekte. De resultaten toonden aan dat deze lekkage verwaarloosbaar was, wat betekent dat het systeem de tien verschillende quantumsignalen volledig gescheiden kon houden. Dit niveau van isolatie is essentieel voor een functioneel quantumnetwerk, omdat het ervoor zorgt dat informatie die van de ene node wordt verzonden, niet wordt gecorrumpeerd door signalen van een naburige node. De onderzoekers verifieerden ook dat het licht zijn quantumeigenschappen behield, specifweg de link tussen de interne toestand van het atoom en de polarisatie, of oriëntatie, van de lichtgolf. Door de polarisatie van de fotonen te meten, bevestigden zij dat de verbinding tussen het atoom en het licht intact bleef terwijl het door de golfgeleider reisde, een noodzakelijke voorwaarde voor het creëren van de verstrengelde links die de quantum-internet aandrijven.

De betekenis van dit werk strekt zich uit voorbij het directe succes van het geleiden van tien fotonen. De technologie die hier wordt gebruikt, rust op een glazen chip die met hoge precisie kan worden vervaardigd, wat een schaalbaar pad biedt voor het bouwen van grotere netwerken. Hoewel het huidige experiment tien kanalen gebruikte van de in totaal drieëndertig beschikbare kanalen op de chip, merkten de onderzoekers op dat de huidige tussenruimte van 7,5 µm groter is dan het bereik van gedemonstreerde Rydberg-gates, die doorgaans werken op afstanden van 5 µm of minder. Ze suggereren echter dat het gebruik van hoog-geëxciteerde Rydberg-toestanden hoog-getrouwe gates op grotere afstanden mogelijk kan maken, wat potentieel de mogelijkheid biedt om het systeem direct te verbinden met een Rydberg-atoomarray quantumprocessor. Deze aanpak biedt een duidelijk voordeel ten opzien van eerdere methoden die vertrouwden op volumineuze lenzen en glasvezeloptica, aangezien de geïntegreerde chip een compact en stabiel platform biedt dat op grote schaal geproduceerd kan worden. Voor quantumcommunicatie over lange afstanden, waarbij signalen over grote afstanden moeten worden verzonden, is het vermogen om veel signalen parallel te verzenden cruciaal. Zonder deze parallelle capaciteit zou de snelheid van het netwerk beperkt worden door de tijd die nodig is om een enkel signaal te verzenden en op een bevestiging te wachten, een vertraging die bij lange afstanden onhoudbaar wordt.

Deze demonstratie vormt een belangrijke stap naar de realisatie van een gedistribueerde quantumcomputingarchitectuur, waarbij meerdere quantumprocessors aan elkaar worden gekoppeld om samen als één krachtige machine te functioneren. Door te bewijzen dat een dichte array van atomen efficiënt gekoppeld kan worden aan een golfgeleider-array zonder signaalinterferentie, heeft het team een belangrijke flessenhals in de ontwikkeling van quantumnetwerken weggenomen. Het systeem overbrugt succesvol de kloof tussen de microscopische wereld van gevangen atomen en de macroscopische wereld van glasvezelkabels, en biedt een betrouwbare interface voor toekomstige quantumapparaten. Hoewel de huidige opstelling een laboratoriumprototype is, zijn de principes die hier gedemonstreerd worden direct toepasbaar op de constructie van echte quantumnetwerken. Het vermogen om meerdere verstrengelde links gelijktijdig te genereren en te geleiden, opent de deur naar een nieuw tijdperk van communicatie, waarin quantuminformatie kan worden verdeeld over een netwerk met de snelheid en capaciteit die vereist zijn voor de volgende generatie computing.