Preservation of photon statistics upon selective molecular modulation in hollow-core fibers

In de opkomende wereld van de quantumtechnologie bouwen wetenschappers machines die gebruikmaken van de vreemde regels van de subatomaire wereld om problemen op te lossen, communicatie te beveiligen en de omgeving waar te nemen met ongekende precisie. Deze machines vertrouwen vaak op licht, specifiek op individuele lichtdeeltjes die fotonen worden genoemd, om informatie te dragen. Echter, net zoals een radiostation uit de jaren 1950 niet gemakkelijk kan communiceren met een moderne smartphone zonder een vertaler, spreken verschillende quantumapparaten vaak verschillende "talen" van licht. Sommige apparaten werken het best met zichtbaar licht, zoals de kleuren die onze ogen kunnen zien, terwijl andere nabij-infrarood licht vereisen, dat voor ons onzichtbaar is maar ideaal is voor langafstandsverplaatsing door glasvezelkabels. Om een echt netwerk van deze quantumapparaten te bouwen, hebben wetenschappers een manier nodig om de kleur, of frequentie, van een foton te veranderen zonder de delicate informatie die het draagt te vernietigen. Dit proces staat bekend als frequentie-transductie. De uitdaging is niet alleen om de kleur te veranderen, maar om dit perfect te doen, waarbij wordt gewaarborgd dat de statistische patronen van het licht — hoe de fotonen gegroepeerd en verdeeld zijn — exact hetzelfde blijven na de transformatie. Als deze patronen worden gewijzigd, gaat de quantuminformatie verloren en faalt de verbinding.

Een team van onderzoekers heeft nu een methode gedemonstreerd om deze delicate kleurverandering met hoge precisie uit te voeren, waarbij de essentiële statistische aard van het licht behouden blijft. Ze bereikten dit met behulp van een gespecialiseerde holle kernvezel, een buis met een piepkleine lege ruimte in het midden, gevuld met waterstofgas. In deze buis gebruikten ze een krachtige laserpuls om de waterstofmoleculen in een gesynchroniseerde trilling te brengen, wat bekend staat als een coherentiegolf. Denk aan deze coherentiegolf als een ritmische puls die door het gas reist, klaar om te interageren met ander licht. Wanneer een zwak signaal van licht, dat de quantuminformatie draagt, deze buis binnengaat, interageert het met deze ritmische puls. Afhankelijk van hoe het systeem is afgestemd, kan het signaal energie winnen en naar een blauwere kleur verschuiven, of energie verliezen en naar een roodere kleur verschuiven. De onderzoekers toonden aan dat dit proces licht kon converteren van een geelgroene tint van 585 nanometer naar een nabij-infrarood tint van 773 nanometer, of zelfs naar een blauwe tint van 471 nanometer. Cruciaal was dat ze bewezen dat het patroon van de fotonen in het licht intact bleef tijdens deze reis, wat betekent dat de quantuminformatie behouden bleef.

Het experiment steunde op een opstelling met twee stadia om ervoor te zorgen dat het proces correct werkte. Eerst genereerde het team een bron van geel licht met specifieke statistische eigenschappen door stikstofgas in een vezel te pompen met een groene laser. Dit creëerde een stroom lichtpulsen die aangepast konden worden om verschillende patronen van fotoverdeling te hebben, variërend van zeer variabel tot zeer uniform. Dit licht werd vervolgens naar de tweede fase gestuurd, de holle kernvezel gevuld met waterstof. Hier creëerde een aparte pomp-laser de gesynchroniseerde moleculaire trillingen. De onderzoekers pasten de druk van het waterstofgas in de vezel zorgvuldig aan om te fungeren als een regelknop. Door de druk in te stellen op ongeveer 16,7 bar, stelden ze het licht in staat om in frequentie te stijgen naar het nabij-infrarood. Door de druk te verhogen naar ongeveer 28,1 bar, stelden ze het licht in staat om naar het blauwe spectrum te verschuiven. Deze drukcontrole maakte het mogelijk om exact te selecteren welke kleurconversie zou plaatsvinden, waardoor ongewenste verschuivingen werden voorkomen en er werd gegarandeerd dat alleen de gewenste kleurverandering plaatsvond.

De resultaten waren opvallend in hun efficiëntie en getrouwheid. Bij het converteren van licht naar het nabij-infrarood behield het systeem ongeveer 70 procent van de fotonen, en bij het converteren naar het blauw behield het bijna 90 procent. Dit zijn hoge conversiepercentages voor een dergelijk delicaat proces. Belangrijker nog, het team mat de statistische eigenschappen van het licht vóór en na de conversie. Ze vonden dat de distributie van fotonen, die beschrijft hoe het licht gestructureerd is, met bijna perfecte nauwkeurigheid werd behouden. De patronen van het licht die de vezel binnenkwamen, kwamen overeen met de patronen van het licht die de vezel verlieten, ongeacht of het licht naar een langere of kortere golflengte was verschoven. Dit bevestigt dat het moleculaire modulatieproces fungeert als een getrouwe vertaler, die de frequentie van het licht verandert zonder de informatie die het bevat te verstoren.

Dit werk biedt een praktisch pad vooruit om verschillende soorten quantumapparaten met elkaar te verbinden. Omdat het proces gebruikmaakt van een glasvezelkabel, is het compatibel met de bestaande telecommunicatie-infrastructuur, wat integratie in toekomstige netwerken gemakkelijker maakt. Het vermogen om licht te verschuiven tussen het zichtbare en het nabij-infrarood gebied met laag-energetische lasers en gematigde gasdrukken suggereert dat deze technologie kan worden geschaald voor gebruik in compacte systemen. De onderzoekers hebben aangetoond dat ze de kloof kunnen overbruggen tussen zichtbaar-licht quantumemittenten, zoals die gebruikt worden in sensoren, en nabij-infrarood quantumgeheugens, die essentieel zijn voor het opslaan van informatie. Door te bewijzen dat de statistische integriteit van het licht behouden blijft, vestigt de studie moleculaire modulatie in holle kernvezels als een levensvatbare en veelzijdige tool voor het bouwen van de hybride quantumnetwerken van de toekomst.