Oparta na ciele stałym platforma dla rozwoju technologii kwantowych
Fotony, jako nośniki informacji, to najbardziej interesujący element zarówno w klasycznym, jak i kwantowym przetwarzaniu informacji. Jednakże do skutecznego generowania i trasowania fotonów niezbędne są urządzenia optyczne, które będą działać przy niskiej liczbie fotonów i osiągać poziom pojedynczy emiter-pojedynczy foton. W założeniu idealne źródło jednofotonowe będzie emitować impulsy światła, z których każdy zawierać będzie nie więcej niż jeden foton, zaś stopnie swobody, w tym długość fali oraz polaryzacja wszystkich emitowanych fotonów będą identyczne. Opracowanie nawet zbliżonego do optymalnego źródła jednofotonowego wymaga od naukowców przezwyciężenia zarówno trudności naukowych oraz technicznych. W ramach finansowanego ze środków Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN) projektu QD-CQED (A quantum dot in a cavity: A solid state platform for quantum operations) udało się stworzyć pierwsze optoelektroniczne urządzenie składające się z kropek kwantowych precyzyjnie umieszczonych w kontrolowanych elektrycznie mikrownękach. Po kilku latach badań udało się uzyskać wydajne źródła emitujące pojedyncze, wysoce nierozróżnialne fotony. Dążenie do perfekcji „Zaawansowane protokoły kwantowe wymagają układów kwantowych odizolowanych od otoczenia i charakteryzujących się minimalną niespójnością” – powiedziała dr Pascale Senellart z Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), główny wykonawca projektu QD-CQED. Nie dotyczy to jednak opartego na ciele stałym emitera fotonów umieszczonego w zmiennym ośrodku drgającym. Ponadto w celu osiągnięcia poziomu pojedynczy emiter-pojedynczy foton naukowcy musieli uzyskać sprzężenie kropki kwantowej z mikrownęką, wytworzyć pole elektromagnetyczne wokół emitera i wymusić emisję w ściśle określonym modzie pola optycznego. „Wraz z postępem prac coraz lepiej było widać, że możemy zmniejszyć zmienność ładunków i fononów – skutek drgań ciała stałego wywołanych wzbudzaniem elektronowym. W końcu udało nam się ograniczyć pole optyczne zarówno przestrzennie, jak i czasowo, w trakcie przykładania pola elektrycznego do emitera”. W przeciwieństwie do istniejących rozwiązań polegających na wypełnianiu wnęki polimerem metoda opracowana przez zespół QD-CQED zakłada połączenie kolumnowych mikrownęk o średnicy kilku mikronów z większymi strukturami za pomocą jednowymiarowych drutów kwantowych. Taka innowacyjna konfiguracja (przedstawiona na ilustracji) ma kluczowe znaczenie dla tłumienia oddziaływania ciała stałego otaczającego emiter. „Możemy wykazać, że właściwości optyczne naszego sztucznego atomu – kropek kwantowych składających się z tysięcy atomów – umieszczonego w matrycy ciała stałego są zbliżone do właściwości optycznych pojedynczego naturalnego atomu w próżni. Co najważniejsze, nasze półprzewodnikowe rozwiązanie jest niezwykle korzystne pod kątem integracji i skalowalności” – powiedziała dr Senellart. Poza wszelkimi oczekiwaniami Nowa technologia pozwoliła opracować źródła emitujące pojedyncze fotony o doskonałych parametrach i jasności większej o jeden rząd wielkości od istniejących źródeł. Co ważne, przyczyniła się również do usprawnienia pośrednich obliczeń kwantowych, takich jak tzw. próbkowanie bozonowe, które przebiegały znacznie szybciej niż w przypadku zastosowania normalnych źródeł. Potencjał technologii QD-CQED opisano w czasopiśmie Nature Photonics artykuł, które w 2016 roku było jednym z 0,1% najczęściej cytowanych czasopism w pracach związanych z fizyką akademicką. W celu zastosowania emiterów w praktyce nawiązano współpracę z wieloma badaczami zajmującymi się optyką kwantową. Do dnia dzisiejszego udało się wykorzystać źródła fotonów do wdrożenia pośrednich protokołów optycznego przetwarzania informacji oraz zademonstrowania bramek dwufotonowych. Zespół wykazał, że można skutecznie kontrolować stacjonarny bit kwantowy za pomocą impulsów światła składających się zaledwie z kilku fotonów. Dr Senellart-Mardon podsumowuje: „W 2017 roku powstanie spółka spin-off, której zadaniem będzie udostępnienie szerszej społeczności korzyści płynących z postępu prac. W inicjatywę tę zaangażowanych jest dwóch młodych naukowców, których przedsięwzięcia naukowe uzyskały wsparcie QD-CQED. Technologie optyki kwantowej czeka świetlana przyszłość!”
Słowa kluczowe
Technologie kwantowe, mikrownęki optyczne, kropki kwantowe, źródło jednofotonowe, QD-CQED
