Źródła światła na mikroukładach i „kudity”: nowe oblicze komputerów kwantowych?
Małe, praktyczne i wysoce wydajne systemy fotoniczne instalowane na mikroukładach mają kluczowe znaczenie zarówno dla wytwarzania, jak i kontrolowania impulsów optycznych w systemach klasycznych i kwantowych. Z tego założenia wyszedł finansowany przez Unię Europejską projekt DC FlexMIL. Badania w ramach projektu przeprowadzono dzięki wsparciu z działania „Maria Skłodowska-Curie”. „Pracowaliśmy nad stworzeniem nowej klasy zintegrowanych źródeł impulsów świetlnych w systemach klasycznych i nieklasycznych o stabilnych i elastycznych właściwościach dotyczących emisji”, tłumaczy Michael Kues, stypendysta programu „Maria Skłodowska-Curie”, a od niedawna profesor na Uniwersytecie Leibniza w Hanowerze. W tym celu badacze wykorzystywali optyczne rezonatory mikropierścieniowe. Częstotliwości rezonansowe generują konstruktywne zakłócenia w obrębie falowodu pierścieniowego, umożliwiając dostęp do wielu dyskretnych kolorów. Wykorzystując nieliniowe zjawisko zwane mieszaniem czterofalowym, zachodzące w obrębie rezonatorów mikropierścieniowych, naukowcy wykorzystali te systemy do stworzenia sterowalnych źródeł światła o nowatorskich i wyjątkowych właściwościach. Rekordowa szerokość pasma optycznego laserów impulsowych Zespół opracował zminiaturyzowany, a jednocześnie wydajny laser z rezonatorem mikropierścieniowym pełniącym rolę wnęki. Jest to pierwszy impulsowy, nanosekundowy laser z synchronizacją metodą samoogniskowania Kerra (ang. „Kerr lens mode locking”), odznaczający się rekordowo niską i pasmowo ograniczoną szerokością widma wynoszącą 105 MHz. Jego mechanizm synchronizacji impulsów wynika z mieszania czterofalowego. „W naszej architekturze lasera wykorzystaliśmy najnowsze osiągnięcia w dziedzinie nieliniowej optyki mikrownęk. Dokładniej mówiąc, wykorzystaliśmy wąskopasmową charakterystykę wysokiej jakości zintegrowanego rezonatora mikropierścieniowego, która oprócz umożliwienia nieliniowych przesunięć fazowych pozwala na generowanie impulsów nanosekundowych poprzez synchronizację modów”, wyjaśnia Kues. Wygenerowane impulsy laserowe mają tak wąskie pasmo widma, że były niedostępne dla nowoczesnych analizatorów widma optycznego. Aby scharakteryzować szerokość pasma lasera, naukowcy zastosowali zamiast tego spójną technikę „dudnienia” optycznego. Rekordowo wąskie pasmo lasera pozwoliło na wykonanie pierwszego pomiaru pełnej charakterystyki widmowej lasera z synchronizacją modów w dziedzinie częstotliwości radiowych z wykorzystaniem powszechnie dostępnej elektroniki radiowej. Dzięki temu można było zweryfikować silną koherencję czasową lasera. Systemy laserowe z pasywną synchronizacją modów są optymalnym rozwiązaniem w zakresie ciągów impulsów optycznych cechujących się niskim poziomem zakłóceń. Takie systemy umożliwiają tworzenie stabilnych optycznych częstotliwości referencyjnych na potrzeby metrologii (np. zegary optyczne) i interakcji światło-materia o wysokiej intensywności. Obliczenia kwantowe – kiedy mniej znaczy więcej W większości prac mających na celu zbudowanie praktycznych komputerów kwantowych wykorzystywano dotychczas kubity, które w odróżnieniu od klasycznych bitów mogą posiadać jednocześnie dwa stany (0 i 1). Zamiast zwiększać liczbę kubitów, by osiągnąć zdolności przetwarzania potrzebne w badaniach nad informacjami kwantowymi, łatwiej byłoby wykorzystać ich mniejszą liczbę, z tym że każdy z kubitów byłby w stanie utrzymać więcej stanów. „Po raz pierwszy wygenerowaliśmy na układzie scalonym po dwa splątane »kudity«, każdy o 10 poziomach, co daje łącznie 100 wymiarów. To więcej, niż mogłoby wygenerować sześć splątanych kubitów”, mówi Kues. Zespół wykorzystał urządzenia zintegrowane na układach scalonych i standardowe podzespoły telekomunikacyjne do wytwarzania stanów kwantowych i manipulowania nimi. W oparciu o odwzorowanie częstotliwości do czasu zespół przekształcił te silnie splątane stany kwantowe w stany klastrowe o dużej liczbie wymiarów. „Ten nowy rodzaj systemów kwantowych stanowi optymalne narzędzie do wykonywania operacji kwantowych”, podsumowuje Kues.
Słowa kluczowe
DC FlexMIL, kudit, integracja z układami scalonymi, rezonator mikropierścieniowy, kubit, komputer kwantowy, częstotliwość radiowa, metrologia, laser z synchronizacją modów, mieszanie czterofalowe
