Fuente de fotón único de próxima generación para la ciencia de la información cuántica

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Fuente de fotón único de próxima generación para la ciencia de la información cuántica

En las últimas dos décadas, se han logrado enormes avances en el campo de la ciencia de la información cuántica. Los científicos están aprovechando la extraña naturaleza de la mecánica cuántica para resolver problemas difíciles en informática y comunicaciones, así como en la detección y medición de sistemas delicados. Una vía de investigación en este campo es el procesamiento óptico de información cuántica, que utiliza fotones, pequeñas partículas de luz que tienen propiedades cuánticas únicas.

Un recurso clave para avanzar en la investigación en la ciencia de la información cuántica sería una fuente que pudiera producir fotones individuales de manera eficiente y confiable. Sin embargo, debido a que los procesos cuánticos son inherentemente aleatorios, crear una fuente de fotones que produzca fotones individuales bajo demanda presenta un desafío en cada paso.

Ahora, el profesor de física de la Universidad de Illinois Paul Kwiat y su ex investigador postdoctoral Fumihiro Kaneda (ahora profesor asistente en el Instituto de Investigación Fronteriza para Ciencias Interdisciplinarias de la Universidad de Tohoku) han construido lo que Kwiat cree que es "la fuente de fotones individuales más eficiente del mundo". Y todavía lo están mejorando. Con las actualizaciones planificadas, el aparato podría generar más de 30 fotones con eficiencias sin precedentes. Las fuentes de ese calibre son precisamente lo que se necesita para las aplicaciones de información cuántica óptica.

Los hallazgos actuales de los investigadores se publicaron en línea en Science Advances el 4 de octubre de 2019.

Kwiat explica: "Un fotón es la unidad de luz más pequeña: la introducción de este concepto por Einstein en 1905 marcó el comienzo de la mecánica cuántica. Hoy en día, el fotón es un recurso propuesto en la computación y comunicación cuántica; sus propiedades únicas lo convierten en un excelente candidato para servir como un bit cuántico o qubit ".

"Los fotones se mueven rápidamente, perfectos para la transmisión a larga distancia de estados cuánticos, y exhiben fenómenos cuánticos a la temperatura normal de nuestra vida cotidiana", agrega Kaneda. "Otros candidatos prometedores para qubits, como los iones atrapados y las corrientes superconductoras, solo son estables en condiciones aisladas y extremadamente frías. Por lo tanto, el desarrollo de fuentes de un solo fotón bajo demanda es fundamental para la realización de redes cuánticas y podría permitir una pequeña cantidad de temperatura ambiente. procesadores ".

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La configuración experimental en el laboratorio de Kwiat en el Laboratorio de Física de Loomis. (Crédito: Siv Schwink / Departamento de Física de la Universidad de Illinois)

Hasta la fecha, la eficiencia de generación máxima de fotones individuales anunciados útiles ha sido bastante baja.

¿Por qué? Los investigadores de óptica cuántica a menudo usan un efecto óptico no lineal llamado conversión descendente paramétrica espontánea (SPDC) para producir pares de fotones. En un cristal diseñado, dentro de un pulso láser que contiene miles de millones de fotones, un solo fotón de alta energía se puede dividir en un par de fotones de baja energía. Es fundamental producir un par de fotones: uno de los dos se detecta, lo que lo destruye, para "anunciar" la existencia del otro, la salida de un solo fotón de la fuente de fotones.

Pero hacer que la conversión cuántica de uno a dos fotones suceda es contra viento y marea.

"SPDC es un proceso cuántico, y no está claro si la fuente no producirá nada, o un par o dos pares", señala Kwiat. "La probabilidad de producir exactamente un par de fotones individuales es como máximo del 25 por ciento".

Profesor de Física Fumihiro Kaneda del Instituto de Investigación Fronteriza de Ciencias Interdisciplinarias de la Universidad de Tohoku. Kaneda es una ex investigadora postdoctoral en el grupo Kwiat del Departamento de Física de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

Kwiat y Kaneda resolvieron este problema de baja eficiencia en SPDC utilizando una técnica llamada multiplexación de tiempo. Para cada ejecución, la fuente SPDC se pulsa 40 veces en intervalos iguales, produciendo 40 "intervalos de tiempo", cada uno posiblemente conteniendo un par de fotones (aunque eso rara vez sería el caso). Cada vez que se produce un par de fotones, un fotón del par activa un interruptor óptico, que dirige el fotón hermano al almacenamiento temporal en una línea de retardo óptico, un circuito cerrado creado con espejos. Al saber cuándo entró el fotón en el bucle (cuándo se detectó el fotón disparador), los investigadores saben exactamente cuántos ciclos mantener el fotón antes de apagarlo. De esta manera, no importa cuál de los 40 pulsos produzca el par, el fotón almacenado siempre se puede liberar al mismo tiempo. Una vez que se han producido los 40 pulsos, todos los fotones almacenados se liberan juntos, como si vinieran del mismo contenedor de tiempo.

Kwiat comenta: "Mapear un montón de diferentes posibilidades, todos los diferentes intervalos de tiempo, en uno, mejora enormemente la probabilidad de que puedas ver algo".

Pulsar la fuente 40 veces esencialmente garantiza que se produzca al menos un par de fotones para cada ciclo.

Además, la línea de retraso en la que se almacenan los fotones tiene una tasa de pérdida de solo 1.2 por ciento por ciclo; Debido a que la fuente está siendo pulsada tantas veces, tener una baja tasa de pérdida es crucial. De lo contrario, los fotones producidos en los primeros pulsos podrían perderse fácilmente.

Cuando los fotones finalmente se liberan, se acoplan en una fibra óptica monomodo con una alta eficiencia. Este es el estado en el que los fotones necesitan estar para ser útiles en aplicaciones de información cuántica.

Kwiat señala que el aumento de la eficiencia de generar fotones de esta manera es significativo. Si, por ejemplo, una aplicación requiere una fuente de 12 fotones, uno podría alinear seis fuentes SPDC independientes y esperar un evento cuando cada una de ellas produzca simultáneamente un solo par.

"El mejor experimento competitivo del mundo en este momento usando estos múltiples estados de fotones tuvo que esperar unos dos minutos hasta que obtuvieron un solo evento de este tipo", señala Kwiat. "Están pulsando a 80 millones de veces por segundo, lo intentan muy, muy a menudo, pero es solo una vez cada dos minutos que obtienen este evento donde cada fuente produce exactamente un par de fotones".

"Podemos calcular, en función de nuestra tasa, la probabilidad de que podamos producir algo así. En realidad, estamos conduciendo un poco más lento, por lo que solo estamos haciendo el intento cada 2 microsegundos, lo están intentando 160 veces más a menudo, pero debido a que nuestra eficiencia es mucho mayor usando multiplexación, en realidad podríamos producir algo así como 4,000 eventos de 12 fotones por segundo ".

En otras palabras, la tasa de producción de Kwiat y Kaneda es aproximadamente 500,000 veces más rápida.

Sin embargo, como señala Kwiat, quedan algunos problemas por resolver. Un problema surge de la naturaleza aleatoria del proceso de conversión descendente: existe la posibilidad de que en lugar de un solo par de fotones, se puedan producir múltiples pares de fotones. Además, debido a que el proceso de conversión descendente utilizado en este experimento fue relativamente ineficiente, la fuente fue "impulsada" a una tasa más alta, aumentando la probabilidad de que se generen tales pares múltiples no deseados.

Incluso teniendo en cuenta los posibles eventos de múltiples fotones, el nivel de eficiencia de este experimento fue un récord mundial.

Entonces, ¿qué sigue y cómo abordará el equipo de Kwiat estos raros eventos multipotones no deseados?

Colin Lualdi, un estudiante de posgrado actual que trabaja en el grupo de investigación de Kwiat, está trabajando en actualizar la fuente con detectores de resolución de número de fotones que descartarían eventos de múltiples fotones antes de que se active la línea de retraso para almacenarlos. Esta mejora eliminaría por completo el problema de los eventos multiphoton.

Otra área de investigación en curso para el equipo de Kwiat mejorará la eficiencia de las partes individuales del aparato de fuente de fotón único. Lualdi cree que las mejoras futuras impulsarán la tasa de producción de un solo fotón mucho más allá del experimento actual.

"El objetivo final es poder preparar estados cuánticos puros únicos que podamos usar para codificar y procesar información de manera que supere los enfoques clásicos", explica Lualdi. "Por eso es tan imperativo que estas fuentes produzcan fotones individuales. Si la fuente genera inesperadamente dos fotones en lugar de uno, entonces no tenemos el bloque de construcción básico que necesitamos".

Y para poder realizar cualquier tipo de procesamiento significativo de información cuántica con estos qubits fotónicos, se necesita un gran suministro.

Como dice Kwiat, "el campo se está moviendo más allá de los experimentos con solo uno o dos fotones. La gente ahora está tratando de hacer experimentos con 10 a 12 fotones, y eventualmente nos gustaría tener de 50 a 100 fotones".

Kwiat extrapola que las mejoras que se realizan en este trabajo podrían allanar el camino hacia la capacidad de generar más de 30 fotones a altas eficiencias. Los resultados de Kwiat y Kaneda nos han llevado un paso más cerca de hacer realidad el procesamiento óptico de información cuántica. (Fuente: Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois)

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