Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego stworzyli nowy, niezwykle efektywny konwerter nośników informacji kwantowej. Może on przyczynić się do zbudowania w niedalekiej przyszłości superszybkich łączy kwantowego internetu.
Światło jest kluczowym nośnikiem informacji. Umożliwia szybką transmisję danych na całym świecie za pośrednictwem światłowodowych sieci telekomunikacyjnych. Ta zdolność przenoszenia informacji może zostać rozszerzona na przesyłanie informacji kwantowej poprzez kodowanie jej w pojedynczych cząstkach światła – fotonach.
Aby były one efektywnie wczytywane do urządzeń przetwarzających informację kwantową, muszą
posiadać konkretne własności: odpowiednią centralną długość fali, czyli częstotliwość, odpowiedni czas trwania oraz widmo, a więc spektrum częstotliwości – tłumaczy dr Michał Karpiński, kierownik Laboratorium Fotoniki Kwantowej Wydziału Fizyki UW.
Opracowywane przez badaczy na całym świecie prototypy komputerów kwantowych budowane są z wykorzystaniem różnych technik: pułapkowanych jonów, kropek kwantowych, nadprzewodzących obwodów elektrycznych czy ultrachłodnych chmur atomowych. Te platformy przetwarzania informacji kwantowej działają w różnych skalach
czasowych: od pikosekundowych, przez nano, aż po mikrosekundowe.
Konwerter z soczewką czasową
Aby połączyć takie urządzenia w sieć kwantową niezbędna jest aparatura umożliwiająca zmienianie cech przesyłanych kwantowych impulsów światła – pojedynczych fotonów. Prototyp takiego konwertera naukowcy z Wydziału Fizyki UW zaprezentowali już w 2016 roku we współpracy międzynarodowej na łamach Nature Photonics.
Urządzenie to umożliwiało sześciokrotną zmianę czasu trwania impulsu optycznego, przy wydajności
przekraczającej 30 procent – przypomina dr Michał Karpiński.
Dodaje jednocześnie, że technika, którą wtedy wykorzystał jego zespół – prosta modulacja elektrooptyczna – ma techniczne ograniczenia, które pozwalają na maksymalnie dziesięciokrotne skrócenie trwania impulsu.
W naszej nowej publikacji prezentujemy konwerter, który pozwala na nawet 200-krotną zmianę czasu trwania impulsu, przy wydajności rzędu 25 procent. Oznacza to, że powstałe dzięki temu łącze kwantowego internetu mogłoby działać nawet 50 razy szybciej – mówi dr Karpiński.
Kluczowym elementem nowej techniki jest tzw. soczewka czasowa. Działa na podobnej zasadzie, jak klasyczna soczewka przestrzenna, która zmienia rozmiar wiązki światła, skupia je albo rozprasza.
Dla przykładu skupienie wiązki światła otrzymujemy poprzez użycie soczewki wypukłej, gdzie grubość soczewki (szkła), zmniejsza się wraz z odległością od jej środka. Podobnie soczewka czasowa potrafi skracać albo wydłużać impulsy światła, przy czym tutaj efektywna optyczna grubość szkła zmienia się w czasie, a nie w przestrzeni – tłumaczy dr Filip Sośnicki z Laboratorium Fotoniki Kwantowej, który odpowiedzialny był za opracowanie eksperymentu.
Precyzuje, że aby skupić szeroką wiązkę światła, soczewka musi być odpowiednio duża, co z kolei powoduje jej dużą wypukłość, znacznie zwiększając ilość, a więc i wagę, szkła wymaganego do jej wytworzenia.
Zamiast tego możemy użyć, znanej już od XIX wieku, soczewki Fresnela, której specyficzny kształt zmniejsza grubość takiej soczewki do zaledwie kilku milimetrów lub mniej. Z tego względu są one stosowane m.in. w reflektorach, latarniach morskich, sygnalizatorach kolejowych czy nawet w aparatach telefonów komórkowych. My stworzyliśmy czasowy odpowiednik takiej właśnie soczewki Fresnela – mówi dr Sośnicki.
Silny efekt bez zniszczenia soczewki
Do stworzenia soczewki czasowej badacze skorzystali z efektu elektrooptycznego, występującego w niektórych kryształach. Pozwala on zmieniać współczynnik załamania światła w krysztale (w tym przypadku niobianie litu) w zależności od przyłożonego do niego zewnętrznego pola elektrycznego. Używając szybkich sygnałów elektrycznych
można osiągnąć optyczną grubość kryształu zmienną w czasie, potrzebną do stworzenia soczewki czasowej.
Ten efekt ma jednak swoje ograniczenia, gdyż zbyt silne pole elektryczne może spowodować zniszczenie kryształu realizującego soczewkę czasową. W opracowanej przez nas technice zwiększamy współczynnik załamania światła etapami, podobnie jak w przestrzennej soczewce Fresnela. Uzyskujemy w ten sposób silny efekt, nie niszcząc kryształu, co natomiast pozwala na znacznie większe modyfikacje kwantowych impulsów światła – tłumaczy dr Karpiński.
Takie „etapowe” działania wymagają wykorzystania ultraszybkiej elektroniki mikrofalowej. Porównując z sieciami
5G czy szybkim Wi-Fi, które działają na częstotliwościach od 3 do 5 GHz, sygnały uzyskane przez fizyków z UW są
ponad 7 razy szybsze, z częstotliwościami aż do 35 GHz. W kolejnym etapie badacze zamierzają testować konwersję fotonów między różnego rodzaju platformami oraz zwiększać odległość przesyłu fotonów.
Do tej pory przesyłaliśmy je miedzy urządzeniami w jednym laboratorium, teraz będziemy próbować dokonywać takiego przesyłu między różnymi budynkami, a nawet miastami – dodaje dr Michał Karpiński.
Prace prowadzone przez grupę dr Michała Karpińskiego są istotnym krokiem na drodze do budowania sieci kwantowych, zarówno niewielkich, które mogą tworzyć pojedynczy komputer kwantowy, jak i rozległych, umożliwiających znacznie bezpieczniejsze przesyłanie danych między komputerami kwantowymi w różnych miejscach świata, tworząc kwantowy Internet. Wyniki badań fizyków z Uniwersytetu Warszawskiego opublikowało prestiżowe czasopismo Nature Photonics.
źródło: FUW