Un nou convertor ar putea conecta qubiții ultraviolet la rețelele de telecomunicații cuantice
Rețelele cuantice, care leagă dispozitive prin efecte mecanice cuantice, ar putea permite schimbul de informații mai sigur și mai eficient. Construirea lor presupune de obicei conectarea qubiților staționari, codificați în ioni prinși sau în alte sisteme fizice, prin fotoni transmisi prin fibre optice. O problemă apare însă atunci când sistemele care găzduiesc qubiții emit lumină ultravioletă, cu lungimi de undă de aproximativ 100–400 de nanometri, interval în care fibrele optice transmit lumina foarte slab.
Cercetătorii de la Universitatea de Știință și Tehnologie din China, Institutul de Tehnologie Cuantică din Jinan și alte instituții au dezvoltat un convertor care ar putea reduce acest decalaj. Dispozitivul, prezentat în Physical Review Letters, se bazează pe niobat de litiu în film subțire, modelat într-o structură de ghid de undă care confinează și dirijează lumina.
„Sistemele cu ioni prinși, cu emisie dominantă în ultraviolet și albastru, au proprietăți excepționale, inclusiv timpi de coerență lungi și control de înaltă fidelitate, ceea ce le face una dintre platformele de top pentru rețele cuantice scalabile”, a declarat Qiang Zhang, coautor al lucrării. „Totuși, pentru aceste benzi de lungimi de undă, atenuarea în fibră este severă.”
O abordare cunoscută pentru transferul fotonilor în lungimi de undă de telecomunicații, cu pierderi mici în fibră, este conversia de frecvență cuantică (QFC), care modifică frecvența fotonilor păstrând informația cuantică pe care o transportă. „Convertoarele anterioare sufereau în general de eficiență scăzută și zgomot ridicat, ceea ce limita distribuția entanglementului în această bandă la distanțe de ordinul metrilor”, a explicat Zhang. „Ne-am propus să realizăm o conversie cu randament ridicat și zgomot redus din ultraviolet în banda de telecomunicații.”
Convertorul funcționează pe principiul conservării energiei. „În convertorul nostru, acționat de un laser de pompare intens la 527 nm, un foton ultraviolet incident la 393 nm se descompune într-un foton de telecomunicații la 1550 nm și un foton la 527 nm”, a detaliat Zhang. „Această transformare trebuie să aibă loc într-un mediu neliniar, iar viabilitatea ei este guvernată de două metrici critice: eficiența conversiei și zgomotul indus de pompă.”
Echipa a fabricat sute de mostre de cip din niobat de litiu și a selectat una dintre cele mai performante, integrând-o într-un ansamblu optic care dirijează lumina prin spațiu liber, spre și din cip. „După caracterizarea riguroasă a eficienței și zgomotului cu un laser la 393 nm, am interfatat modulul optimizat cu un sistem cu ioni prinși de ⁴⁰Ca⁺”, a spus Zhang. „Operând la rate de excitație extrem de scăzute, această platformă integrată a oferit un raport semnal-zgomot foarte ridicat, permițând în final operații de înaltă fidelitate.”
În teste, convertorul a atins o eficiență externă de conversie a fotonilor de 28,8%, incluzând pierderile optice ale modulului, cu o rată de zgomot de fond de 35 de numărări pe secundă. Autorii au propus și un model matematic ce prezice modul în care imperfecțiunile regiunilor de polarizare modelate în cristal reduc eficiența conversiei.
„Am dezvăluit și un mecanism nou de control al zgomotului pentru pomparea în lungimi de undă scurte, folosind comportamentele de reglaj diferențiat ale generării prin diferență de frecvență și ale proceselor de zgomot neliniar induse de pompă”, a adăugat Zhang. Potrivit acestuia, inovațiile mecanistice nu se aplică doar altor procese QFC pentru diverse sisteme cuantice, ci au și potențial de a stimula progresul în fotonică neliniară clasică și integrată.
În viitor, convertorul ar putea conecta eficient, prin fibre optice, dispozitive cuantice care emit ultraviolet, facilitând rețele cuantice mai ample. „Cercetarea viitoare va urma două direcții principale”, a conchis Zhang. „Întâi, plănuim să explorăm o gamă mai largă de aplicații bazate pe interfața QFC actuală la 393 nm. Apoi, urmărim să extindem metodologiile noastre de creștere a eficienței și de suprimare a zgomotului la alte sisteme cuantice, precum ionii de ¹⁷¹Yb⁺, ⁸⁸Sr⁺ și ¹³⁸Ba⁺, pentru a impulsiona interconectarea diverselor noduri fizice din rețelele cuantice.”
