Die Forschergruppe synchronisiert einzelne Photonen mithilfe eines atomaren Quantengedächtnisses.

30. Juli 2023 Funktion

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Von Ingrid Fadelli, Phys.org

Eine langjährige Herausforderung auf dem Gebiet der Quantenphysik ist die effiziente Synchronisierung einzelner und unabhängig erzeugter Photonen (d.h. Lichtteilchen). Die Realisierung dessen hätte wesentliche Auswirkungen auf die quantenbasierte Informationsverarbeitung, die auf Wechselwirkungen zwischen mehreren Photonen beruht.

Forscher des Weizmann Institute of Science haben kürzlich die Synchronisierung einzelner, unabhängig erzeugter Photonen mithilfe eines atomaren Quantenspeichers bei Raumtemperatur demonstriert. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Physical Review Letters, könnte neue Möglichkeiten für die Erforschung von mehrphotonischen Zuständen und deren Verwendung in der quantenbasierten Informationsverarbeitung eröffnen.

"Die Projektidee entstand vor mehreren Jahren, als unsere Gruppe und die Gruppe von Ian Walmsley einen atomaren Quantenspeicher mit einem invertierten atomaren Niveau-Schema im Vergleich zu den typischen Speichern - dem Leiterspeicher, genannt 'fast ladder memory' (FLAME) - demonstrierten", sagte Omri Davidson, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. "Diese Speicher sind schnell und geräuschfrei und daher für die Synchronisierung einzelner Photonen nützlich."

Die photonische Quantenberechnung und andere quantenbasierte Informationsprotokolle beruhen auf der erfolgreichen Erzeugung von mehrphotonischen Zuständen. Da die meisten bisher in der Forschung verwendeten quantenbasierten Quellen probabilistisch sind, eignen sie sich nicht zur Erzeugung von mehrphotonischen Zuständen mit einer vernünftigen Rate.

Im Rahmen ihrer aktuellen Studie wollten Davidson und seine Kollegen die Möglichkeit untersuchen, diese Zustände mithilfe eines atomaren Quantenspeichers zu realisieren, Geräten, die die Quantenzustände von Photonen speichern können, während sie die trägernde quantenbasierte Informationen behalten. Ihre Vorhersage war, dass ihr atomarer Quantenspeicher probabilistisch erzeugte Photonen speichern und diese auf Anforderung freisetzen könnte, um einen mehrphotonischen Zustand zu erzeugen.

"Das Ziel der aktuellen Forschung bestand darin, die Synchronisierung einzelner Photonen mithilfe eines unabhängigen Quantenspeichers für Raumtemperatur zum ersten Mal zu demonstrieren", sagte Davidson. "Um dies zu erreichen, mussten wir den Speicher mit mehreren Verbesserungen neu aufbauen und eine Einzelphotonenquelle entwickeln, die Photonen erzeugt, die effizient mit dem Speicher interagieren können. Schließlich wollten wir die eigentliche Photonensynchronisierung demonstrieren, bei der die Photonquelle und Speichermodule mit geeigneter Steuerungselektronik des Experiments verbunden waren."

FLAME, der von den Forschern verwendete Quantenspeicher und im Rahmen ihrer früheren Forschung entwickelt, beruht auf einem invertierten atomaren Niveau-Schema, das als Leiter-Schema bezeichnet wird. Im Vergleich zu konventionellen Ground-State-Speichern, die in der Regel langsam und anfällig für Störungen sind, ist FLAME sowohl schnell als auch geräuschfrei, kann jedoch Informationen für kürzere Zeiträume speichern. Da Geschwindigkeit und fehlendes Rauschen wesentliche Eigenschaften für die Synchronisierung einzelner Photonen sind, hofften sie, dass es ihnen ermöglichen würde, mehrphotonische Quantenzustände zu erzeugen.

"Der zweite Vorteil unseres spezifischen Leiter-Schemas in Rubidium-Atomen ist die geringe Wellenlängenabweichung der Signal- und Steuerlichtfeld-Übergänge", erklärte Davidson. "Dies ermöglicht eine relativ lange Speicherlebensdauer im Vergleich zu anderen Leiter-Schemata mit größerer Wellenlängenabweichung aufgrund der geringeren Doppler-Verbreiterung von Zweiphotonen. Schließlich haben wir die Photonen mithilfe der gleichen atomaren Niveaustruktur wie unser Speicher erzeugt, was eine effiziente Kopplung der Photonen mit dem Speicher ermöglicht."

Die vielen Vorteile des FLAME-Speicherschemas des Teams trugen insgesamt zum Erfolg ihres Experiments bei, das ihnen ermöglichte, einzelne Photonen mit hoher Rate zu synchronisieren. Mit ihrem atomaren Quantenspeicher konnten sie einzelne Photonen mit einer End-to-End-Effizienz von ηe2e=25% speichern und abrufen und eine endgültige Antibündelung von g(2)h=0.023 erreichen, wobei sie eine Rate von mehr als 1.000 synchronisierten Photonpaaren pro Sekunde erreichten.

G(2)h oder Photonenantibündelung ist ein Maß dafür, wie "einzeln" die einzelnen Photonen sind. Perfekte einzelne Photonen haben g(2)h=0, während klassisches Licht g(2)h=1 hat. Somit bleiben die von den Forschern synchronisierten Photonen bei g(2)h=0,023 fast perfekte einzelne Photonen dank des geräuschfreien Betriebs des Speichers.

'We were able to synchronize photons that are compatible with atomic systems at high rate,' Davidson said. 'Photons that are compatible with atoms are important for many photonic quantum information protocols, such as a deterministic two-qubit entangling gate. Previous photon synchronization demonstrations either used broadband photons which are not compatible with atomic systems, or photons that are compatible with atomic systems with extremely low rates.'

The photon synchronization rate that Davidson and his colleagues attained in their experiments is more than 1,000 times better than previous demonstrations using photons that are compatible with atomic systems. Their work opens new avenues for the study of interactions between multi-photon states and atoms, such as so-called deterministic two-photon entangling gates. In the future, it could have valuable implications both for the realization of quantum information processing and quantum optics systems.

'We are currently exploring two research paths,' Davidson added. 'The first is to achieve strong photon-photon interactions with rubidium atoms, in a similar system to the one used for synchronization. Achieving this goal will enable us to demonstrate a deterministic entangling gate between the synchronized single-photons.

'These gates are an important component in photonic quantum computation, as they enable to reduce the resource overhead over currently pursued methods (called linear-optics quantum computation). To date, these gates were only demonstrated with cold atoms setups, and not hot atoms, which limits the scalability of these systems.'

In their next studies, Davidson and his colleagues also plan to further develop their FLAME memory, allowing it to store a photonic qubit (i.e., a photon in a quantum superposition of two polarization states), rather than only storing individual photons in one polarization state. This could ultimately allow them to perform quantum computations using photons.

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