Generating spatially separated correlated multiphoton states in nonlinear waveguide quantum electrodynamics

In de wereld van de quantumtechnologie zoeken wetenschappers voortdurend naar manieren om licht gedrag te laten vertonen dat de natuur normaal gesproken niet toestaat. Licht, bestaande uit deeltjes die fotonen worden genoemd, reist gewoonlijk door de ruimte zonder te interageren met andere fotonen; ze gaan dwars door elkaar heen als spoken. Om krachtige quantumcomputers of ultra-precieze sensoren te bouwen, moeten onderzoekers fotonen ertoe brengen samen te klonteren, waardoor complexe, gecorreleerde groepen ontstaan die informatie dragen op manieren die enkelvoudige deeltjes niet kunnen. De uitdaging is geweest dat de krachten die nodig zijn om deze deeltjes te laten interageren extreem zwak zijn in de meeste materialen. Jarenlang bestond de standaardaanpak uit het gebruik van kleine kunstmatige atomen om fotonen te dwingen tot botsingen, maar deze methode had vaak moeite met het efficiënt creëren van grote groepen deeltjes of het scheiden van de deeltjes zodra ze waren gevormd.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe architectuur voorgesteld die deze hindernissen overwint door de gebruikelijke regels van licht-materie-interactie op hun kop te zetten. In plaats van te proberen fotonen direct te laten botsen, ontwierpen zij een systeem waarbij een enkel foton een gespecialiseerde golfgeleider binnengaat en wordt getransformeerd in een paar gebonden fotonen, die vervolgens transformeert in een trio, enzovoort. Dit proces berust op een slimme truc waarbij gebruik wordt gemaakt van "reusachtige atomen" (giant atoms)—kunstmatige atomen die de golfgeleider op meerdere punten verbinden in plaats van slechts één. Door deze verbindingen zorgvuldig af te stemmen, toonden de onderzoekers via gedetailleerde simulaties aan dat ze een enkel foton kunnen converteren naar een stroom van gecorreleerde fotongroepen, die elk met een verschillende snelheid bewegen. Dit zorgt ervoor dat de verschillende groepen op natuurlijke wijze in ruimte en tijd uit elkaar gaan, wat resulteert in een gesorteerde, programmeerbare stroom van quantumtoestanden die klaar zijn voor gebruik in geavanceerde technologieën.

De kern van dit werk ligt in een niet-lineaire golfgeleider, een microscopisch kanaal gemaakt van een reeks verbonden holtes (cavities). Binnen elke holte creëert een speciaal materiaal een sterke interactie tussen fotonen, waardoor ze effectief elkaar afstoten of aantrekken, afhankelijk van de opstelling. In dit specifieke voorstel wordt de golfgeleider bevolkt door aangeslagen twee-niveau-emittenten, wat in essentie kunstmatige atomen zijn die zijn afgestemd op een frequentie die niet overeenkomt met het invallende licht. In traditionele opstellingen negeert een atoom het licht simpelweg als het niet perfect is afgestemd op het licht. Echter, de onderzoekers ontdekten dat door deze emittenten in een specifieke "verboden" energiezone te plaatsen, zij een uniek verstrooiingsproces konden triggeren. Wanneer een enkel foton op een van deze aangeslagen emittenten botst, weerkaatst het niet of wordt het niet op de gebruikelijke manier geabsorbeerd. In plaats daarvan combineren de energie van het foton en het atoom zich om een nieuw, stabiel paar fotonen te creëren dat samen als één eenheid reist. De onderzoekers noemen deze eenheid een "doublon".

Deze transformatie is de eerste stap in een meerfasig proces. Zodra de doublon is gevormd, beweegt deze zich voort door de golfgeleider totdat hij een tweede aangeslagen emittent tegenkomt. Omdat de doublon meer energie draagt dan een enkel foton, interageert hij met deze tweede emittent om een nog grotere groep te creëren: een trio van fotonen dat samen reist, bekend als een "triplon". De onderzoekers beschrijven dit als een cascade-effect, waarbij het systeem fungeert als een foton-aantalversterker, die één deeltje omzet in twee, dan drie, en potentieel meer. Wat dit mechanisme bijzonder krachtig maakt, is hoe het omgaat met de richting van de beweging. In veel eerdere pogingen leidde het creëren van deze groepen tot deeltjes die in alle richtingen werden verstrooid, waardoor ze moeilijk te vangen waren. Hier introduceerden de onderzoekers het concept van een "pseudo-reusachtig atoom". Hoewel de fysieke emittent een enkel punt is, onthult de wiskundige beschrijving van hoe de emittent interageert met de gebonden fotonenparen dat het zich gedraagt alsos het op veel verschillende punten tegelijkertijd met de golfgeleider verbonden is.

Door een echte "reusachtige atoom"-configuratie te gebruiken—waarbij een enkele emittent fysiek op meerdere verschillende locaties met de golfgeleider verbonden is—kon het team de interferentiepatronen van het licht controleren. Deze controle maakt het mogelijk om de nieuw gevormde fotongroepen zo te sturen dat ze slechts in één richting bewegen, waardoor achterwaartse verstrooiing wordt onderdrukt. In hun simulaties toonden zij aan dat ze met de juiste instellingen 95% van een invallend enkel foton konden converteren naar een voorwaarts bewegende doublon. Wanneer zij dit uitbreidden naar een tweede fase om triplons te creëren, bleef de conversie-efficiëntie hoog, rond de 90%. Dit niveau van controle is een significante afwijking van eerdere methoden, die vaak vertrouwden op resonante verstrooiing waarbij atoom en licht perfect in frequentie moeten overeenstemmen, een conditie die moeilijk te handhaven is en vaak leidt tot energieverlies.

Misschien wel het meest opvallende kenmerk van dit systeem is hoe het de resultaten automatisch sorteert. Omdat het enkel foton, het paar en het trio allemaal verschillende interne structuren hebben, reizen ze met verschillende snelheden. Terwijl ze door de golfgeleider bewegen, zorgt dit verschil in snelheid ervoor dat ze op natuurlijke wijze uit elkaar drijven. De onderzoekers ontdekten dat de drie verschillende groepen na een korte afstand volledig in de ruimte gescheiden zijn, waarbij ze op verschillende tijdstippen aankomen. Dit betekent dat het systeem een enkele output produceert die eigenlijk een superpositie is van drie verschillende quantumtoestanden, die elk hun eigen tijdslot bezetten. De onderzoekers toonden aan dat zij door de sterkte van de verbindingen tussen het reusachtige atoom en de golfgeleider aan te passen, de exacte mix van deze toestanden kunnen programmeren, waarbij ze beslissen hoeveel van de output bestaat uit enkelvoudige fotonen, hoeveel uit paren en hoeveel uit trio's.

Het artikel benadrukt dat deze resultaten gebaseerd zijn op rigoureuze numerieke simulaties met behulp van gevestigde quantummechanische instrumenten, in plaats van op fysieke experimenten uitgevoerd in een laboratorium. De onderzoekers modelleerden het systeem met parameters die momenteel haalbaar zijn in supergeleidende circuits, een leidend platform voor quantumcomputing. Zij berekenden dat het gehele proces in enkele microseconden zou plaatsvinden, ruim binnen de tijdslimieten die de huidige quantumhardware kan handhaven voordat de delicate quantum-eigenschappen verloren gaan. De simulaties bevestigden dat het systeem energie en waarschijnlijkheid conserveert, wat garandeert dat het invallende foton betrouwbaar wordt getransformeerd naar de gewenste outputtoestanden zonder te verdwijnen in ruis. De onderzoekers merkten ook op dat deze aanpak het gebruik van complexe arrays van vele emittenten vermijdt om scheiding te bereiken, en in plaats daarvan vertrouwt op de intrinsieke snelheidsverschillen van de gebonden toestanden.

Dit werk suggereert een nieuwe weg voor het genereren van complexe quantumbronnen op aanvraag. Door deze ruimtelijk gescheiden, gecorreleerde fotongroepen te creëren, kan het systeem dienen als een veelzijdige tool voor quantumsimulatie, waarbij wetenschappers het gedrag van complexe materialen nabootsen, of voor quantummetrologie, wat het maken van extreem nauwkeurige metingen omvat. Het vermogen om "vliegende qubits" te genereren die niet alleen in hun interne staat, maar ook in hun aankomsttijd en fotonaantal verstrengeld zijn, opent nieuwe mogelijkheden voor het coderen van informatie. De onderzoekers stellen voor dat deze architectuur de kloof overbrugt tussen niet-lineaire optica en de studie van veel-deeltjesfysica (many-body physics), en een schaalbare manier biedt om exotische vormen van fotonische materie te creëren. Hoewel het artikel niet beweert alle uitdagingen van de quantumtechniek te hebben opgelost, biedt het een concreet, theoretisch solide blauwdruk voor het genereren van multi-foton-toestanden die zowel hoog gecorreleerd als gemakkelijk scheidbaar zijn, een combinatie die in eerdere benaderingen ongrijpbaar bleef.