Pure dephasing destroys two-photon amplitude, not nonlinear phase

In de zoektocht naar het bouwen van een nieuw soort computer die licht gebruikt in plaats van elektriciteit, zoeken wetenschappers naar manieren om individuele fotonen, of lichtdeeltjes, met elkaar te laten communiceren. Normaal gesproken passeren lichtstralen elkaar zonder interactie, zoals twee auto's die op parallelle snelwegen rijden. Om echter een processor te bouwen, hebben onderzoekers nodig dat deze lichtdeeltjes elkaar beïnvloeden, waardoor er een schakelaar ontstaat die een signaal aan of uit kan zetten op basis van de aanwezigheid van een ander signaal. Een veelbelovende manier om dit te bereiken is door een piepklein, kunstmatig atoom, een kwantumemitter genoemd, te plaatsen in een microscopisch kanaal dat licht geleidt. Wanneer een enkel foton een emitter raakt, kan het worden geabsorbeerd en opnieuw worden uitgezonden, maar met een cruciale wending: de golf van het licht klapt van vorm om, waardoor een positieve piek effectief verandert in een negatieve. Deze klap is een specifieke verandering in de fase van het licht, een eigenschap die bepaalt hoe golven met elkaar in lijn liggen. Als dit systeem perfect werkt, zou het een fundamentele bouwsteen voor kwantumnetwerken kunnen vormen, waardoor complexe berekeningen met licht kunnen worden uitgevoerd.

De uitdaging is dat de echte wereld rommelig is. De kunstmatige atomen die in deze experimenten worden gebruikt, zijn solid-state apparaten, wat betekent dat ze zijn gemaakt van materialen die constant trillen en bewegen door hun omgeving. Deze trillingen zorgen ervoor dat het atoom zijn interne ritme verliest, een proces dat wetenschappers pure dephasering noemen. Jarenlang namen theoretici aan dat dit verlies van ritme de delicate faseklap simpelweg zou vervagen, waardoor de schakelaar minder effectief wordt of de hoek van de klap verandert. De heersende vrees was dat naarmate de omgeving luidruchtiger werd, de precieze timing van de lichtgolf zou gaan driften, wat de logische poort zou ruïneren. Deze onzekerheid was een grote hindernis bij het ontwerpen van betrouwbare kwantumnetwerken, aangezien ingenieurs moeten weten of deze componenten standhouden onder realistische omstandigheden.

Een team van onderzoekers aan Queen's University heeft deze vraag nu beantwoord met een nauwkeurige theoretische studie. Ze berekenden exact wat er gebeurt met een lichtpuls die twee fotonen bevat wanneer deze een luidruchtige, trillende emitter raakt. Hun werk onthult een verrassende waarheid: de ruis vervaagt de faseklap helemaal niet. In plaats daarvan blijft de faseklap op exact dezelfde hoek vergrendeld, ongeacht hoeveel de emitter trilt. De ruis draait de golf niet, maar maakt de golf simpelweg kleiner. De onderzoekers ontdekten dat terwijl de sterkte van het signaal dat de fase-informatie draagt afneemt naarmate de omgeving luidruchtiger wordt, de richting van dat signaal perfect vast blijft staan. De fase is verankerd, niet gedraaid.

Deze ontdekking verandert ons begrip van het falen van deze systemen. Het blijkt dat het probleem niet een verlies van de juiste logica is, maar een verlies van het volume van het signaal. De onderzoekers toonden aan dat de ruis de amplitude vernietigt, oftewel de hoogte of sterkte van de lichtgolf, in plaats van de fase, oftewel de timing van de golf. In een perfecte wereld zouden zowel een enkel foton als een paar fotonen op dezelfde manier gedimd worden als het systeem imperfect zou zijn. De studie toonde echter aan dat de ruis hen verschillend behandelt. Het signaal van de twee fotonen overleeft de ruis veel beter dan het signaal van het enkele foton. Dit betekent dat het systeem niet alleen stiller wordt; het verandert van karakter. De balans tussen hoe het systeem één foton versus twee fotonen behandelt, verschuift op een manier die niet kan worden gecorrigeerd door simpelweg aan de knoppen van de machine te draaien.

De onderzoekers valideerden hun bevindingen door hun nieuwe wiskundige formules te vergelijken met een andere, zeer gedetailleerde methode van simulatie die elke mogelijke staat van het systeem volgt. De twee methoden kwamen perfect overeen, wat bevestigt dat hun nieuwe formules correct zijn. Ze controleerden hun resultaten ook tegen oudere theorieën die geen rekening hielden met ruis, en vonden dat hun nieuwe benadering overeenkwam met die oudere resultaten wanneer de ruis werd uitgeschakeld. Dit geeft hen veel vertrouwen dat hun beschrijving van het luidruchtige systeem accuraat is. Een essentieel onderdeel van hun werk was het corrigeren van een veelvoorkomende fout in de manier waarop wetenschappers het gedrag van twee fotonen berekenen. Eerdere methoden gingen ervan uit dat het gedrag van twee fotonen voorspeld kon worden door simpelweg het gedrag van twee enkele fotonen met elkaar te vermenigvuldigen. De onderzoekers bewezen dat deze aanname instort zodra er ruis wordt geïntroduceerd, wat leidt tot significante fouten in de voorspelling van hoeveel fotonparen zullen overleven.

De implicaties voor het bouwen van kwantumcomputers zijn diepgaand. Omdat de fase exact correct blijft, zelfs als het signaal zwakker wordt, blijft de fundamentele logica van de schakelaar behouden. Echter, het feit dat de signaalsterkte daalt en dat enkelvoudige en dubbele fotonen verschillend worden beïnvloed, betekent dat ingenieurs de ruis niet simpelweg als een algemene verzwakking van het licht kunnen behandelen. Ze moeten rekening houden met een specifieke verstoring in de manier waarop het systeem met verschillende aantallen fotonen omgaat. Deze verstoring is een vaste eigenschap van het materiaal en de omgeving, wat betekent dat het niet kan worden weggetraind of gecorrigeerd door software. De onderzoekers concluderen dat hoewel de fasepoort naar behoren werkt wat betreft de timing, de prijs een verlies van contrast is, waarbij het signaal moeilijker te onderscheiden is van de achtergrond. Dit inzicht biedt een duidelijke routekaart voor toekomstige ontwerpen, waarbij laat zien dat de focus moet verschuiven van het proberen te herstellen van de fase naar het beheren van het ongelijke verlies van signaalsterkte.