Μια ερευνητική ομάδα φωτονικής με επικεφαλής τον Gregor Weihs του Πανεπιστημίου του Ίνσμπρουκ ανέπτυξε μια νέα τεχνική για την παραγωγή καταστάσεων πολλαπλών φωτονίων από κβαντικές κουκκίδες, η οποία ξεπερνά τους περιορισμούς των παραδοσιακών προσεγγίσεων. Η εξέλιξη αυτή έχει άμεσες εφαρμογές σε πρωτόκολλα ασφαλούς κβαντικής διανομής κλειδιού (quantum key distribution), όπου μπορεί να επιτρέψει ταυτόχρονη ασφαλή επικοινωνία με διαφορετικά μέρη.
Κβαντικές κουκκίδες
Οι κβαντικές κουκκίδες – νανοδομές ημιαγωγών που μπορούν να εκπέμπουν μονοφωτόνια κατ’ απαίτηση – θεωρούνται από τις πιο υποσχόμενες πηγές για τη φωτονική κβαντική υπολογιστική. Ωστόσο, κάθε κβαντική κουκκίδα είναι ελαφρώς διαφορετική και μπορεί να εκπέμπει ελαφρώς διαφορετικό χρώμα. Αυτό σημαίνει ότι για την παραγωγή καταστάσεων πολλαπλών φωτονίων δεν μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε πολλές κβαντικές κουκκίδες ταυτόχρονα.
Συνήθως, οι ερευνητές χρησιμοποιούν μία μόνο κβαντική κουκκίδα και πολυπλέκουν την εκπομπή της σε διαφορετικούς χωρικούς και χρονικούς τρόπους, χρησιμοποιώντας έναν γρήγορο ηλεκτρο-οπτικό διαμορφωτή. Το τεχνολογικό πρόβλημα είναι ότι οι ταχύτεροι ηλεκτρο-οπτικοί διαμορφωτές είναι ακριβοί και συχνά απαιτούν εξειδικευμένη μηχανική προσαρμογή. Επιπλέον, μπορεί να μην είναι ιδιαίτερα αποδοτικοί, εισάγοντας ανεπιθύμητες απώλειες στο σύστημα.
Η νέα προσέγγιση
Η διεθνής ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον Vikas Remesh από την Ομάδα Φωτονικής του Τμήματος Πειραματικής Φυσικής του Πανεπιστημίου του Ίνσμπρουκ και με τη συμμετοχή ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ, το Πανεπιστήμιο Johannes Kepler του Λιντς και άλλα ιδρύματα, παρουσίασε μια κομψή λύση που παρακάμπτει αυτούς τους περιορισμούς.
Η προσέγγισή τους χρησιμοποιεί μια καθαρά οπτική τεχνική που ονομάζεται διεγερμένη διφωτονική διέγερση (stimulated two-photon excitation) για να παράγει ροές φωτονίων σε διαφορετικές καταστάσεις πόλωσης απευθείας από μια κβαντική κουκκίδα, χωρίς να απαιτούνται ενεργά στοιχεία εναλλαγής. Η ομάδα απέδειξε την τεχνική της δημιουργώντας υψηλής ποιότητας διφωτονικές καταστάσεις με εξαιρετικές ιδιότητες μονοφωτονίων.
Η εργασία δημοσιεύεται στο npj Quantum Information.
«Η μέθοδος λειτουργεί αρχικά διεγείροντας την κβαντική κουκκίδα με ακριβώς χρονισμένους παλμούς λέιζερ για να δημιουργηθεί μια κατάσταση διεξιτονίου, ακολουθούμενη από παλμούς διέγερσης ελεγχόμενης πόλωσης που προκαλούν με βεβαιότητα την εκπομπή φωτονίων στην επιθυμητή πόλωση», εξηγούν οι Yusuf Karli και Iker Avila Arenas, πρώτοι συγγραφείς της μελέτης.
«Ήταν μια φανταστική εμπειρία για μένα να εργαστώ στην ομάδα φωτονικής για τη μεταπτυχιακή μου διατριβή», δηλώνει ο Iker Avila Arenas, ο οποίος ήταν μέλος της σειράς 2022–2024 του προγράμματος Erasmus Mundus Joint Master στην Φωτονική για Ασφάλεια, Αξιοπιστία και Προστασία και πέρασε έξι μήνες στο Ίνσμπρουκ.
Η σημασία της μεθόδου
«Αυτό που κάνει την προσέγγιση ιδιαίτερα κομψή είναι ότι μεταφέραμε την πολυπλοκότητα από τα ακριβά, με απώλειες, ηλεκτρονικά εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται μετά την εκπομπή μονοφωτονίων, στο στάδιο της οπτικής διέγερσης και αυτό είναι ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός για να καταστήσουμε τις πηγές κβαντικών κουκκίδων πιο πρακτικές για εφαρμογές στον πραγματικό κόσμο», σημειώνει ο Remesh, επικεφαλής ερευνητής της μελέτης.
Στο μέλλον, οι ερευνητές οραματίζονται την επέκταση της τεχνικής για την παραγωγή φωτονίων με οποιεσδήποτε γραμμικές καταστάσεις πόλωσης, χρησιμοποιώντας ειδικά σχεδιασμένες κβαντικές κουκκίδες.
«Η μελέτη έχει άμεσες εφαρμογές σε πρωτόκολλα ασφαλούς κβαντικής διανομής κλειδιού, όπου πολλές ανεξάρτητες ροές φωτονίων μπορούν να επιτρέψουν ταυτόχρονη ασφαλή επικοινωνία με διαφορετικά μέρη, καθώς και σε πειράματα παρεμβολής πολλαπλών φωτονίων, που είναι πολύ σημαντικά για τη δοκιμή ακόμη και των θεμελιωδών αρχών της κβαντικής μηχανικής», εξηγεί ο Weihs, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας φωτονικής στο Ίνσμπρουκ.
Η έρευνα αντιπροσωπεύει μια συνεργατική προσπάθεια που συνδυάζει τεχνογνωσία στην κβαντική οπτική, τη φυσική ημιαγωγών και τη φωτονική μηχανική.
Περισσότερες πληροφορίες: Yusuf Karli et al, Παθητική αποπολυπλεγμένη παραγωγή κατάστασης δύο φωτονίων από κβαντική κουκκίδα, npj Quantum Information (2025). DOI: 10.1038/s41534-025-01083-0
Πληροφορίες περιοδικού: npj Quantum Information
Παρέχεται από το Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ
