La Fuente De Fotón único Más Eficiente Del Mundo Creada Mediante Multiplexación De Tiempo

Laboratorio de Kwiat

La configuración experimental en el laboratorio de Kwiat en el Laboratorio de Física de Loomis. Crédito: Siv Schwink / Departamento de Física de la Universidad de Illinois

Fuente de fotón único de próxima generación para la ciencia de la información cuántica: el grupo Kwiat logra la producción de fotón único más eficiente de la historia.

Durante las últimas dos décadas, se han realizado enormes avances en el campo de la ciencia de la información cuántica. Los científicos están aprovechando la extraña naturaleza de la mecánica cuántica para resolver problemas difíciles en la informática y las comunicaciones, así como en la detección y medición de sistemas delicados. Una vía de investigación en este campo es el procesamiento óptico de información cuántica, que utiliza fotones, pequeñas partículas de luz que tienen propiedades cuánticas únicas.

Un recurso clave para hacer avanzar la investigación en la ciencia de la información cuántica sería una fuente que pudiera producir fotones individuales de manera eficiente y confiable. Sin embargo, debido a que los procesos cuánticos son inherentemente aleatorios, la creación de una fuente de fotones que produzca fotones individuales bajo demanda presenta un desafío en cada paso.

Ahora, el profesor de física de la Universidad de Illinois Paul Kwiat y su ex investigador postdoctoral Fumihiro Kaneda (ahora profesor asistente en el Instituto de Investigación Frontier para Ciencias Interdisciplinarias de la Universidad de Tohoku) han construido lo que Kwiat cree que es “la fuente de fotón único más eficiente del mundo”. Y todavía lo están mejorando. Con las actualizaciones planificadas, el aparato podría generar más de 30 fotones con eficiencias sin precedentes. Las fuentes de ese calibre son precisamente lo que se necesita para las aplicaciones de información óptica cuántica.

Paul Kwiat

El profesor de física Paul Kwiat de la Universidad de Illinois en Urbana Champaign. Crédito: Bill Wiegand / Física de Illinois

Los hallazgos actuales de los investigadores se publicaron en línea en Science Advances el 4 de octubre de 2019.

Kwiat explica: “Un fotón es la unidad más pequeña de luz: la introducción de este concepto por parte de Einstein en 1905 marcó el comienzo de la mecánica cuántica. Hoy en día, el fotón es un recurso propuesto en la computación y la comunicación cuánticas; sus propiedades únicas lo convierten en un candidato excelente para servir como un bit cuántico o qubit ”.

“Los fotones se mueven rápidamente, perfectos para la transmisión a larga distancia de estados cuánticos, y exhiben fenómenos cuánticos a la temperatura ordinaria de nuestra vida cotidiana”, agrega Kaneda. “Otros candidatos prometedores para qubits, como los iones atrapados y las corrientes superconductoras, solo son estables en condiciones aisladas y extremadamente frías. Por lo tanto, el desarrollo de fuentes de fotón único bajo demanda es fundamental para realizar redes cuánticas y podría permitir pequeños procesadores cuánticos a temperatura ambiente “.

Hasta la fecha, la eficiencia máxima de generación de fotones individuales útiles anunciados ha sido bastante baja.

¿Por qué? Los investigadores de óptica cuántica a menudo utilizan un efecto óptico no lineal llamado conversión descendente paramétrica espontánea (SPDC) para producir pares de fotones. En un cristal diseñado, dentro de un pulso láser que contiene miles de millones de fotones, un solo fotón de alta energía puede dividirse en un par de fotones de baja energía. Es fundamental producir un par de fotones: uno de los dos es detectado, lo que lo destruye, para “anunciar” la existencia del otro, la salida de fotón único de la fuente de fotones.

Pero hacer que esa conversión cuántica de uno a dos fotones ocurra es contra todo pronóstico.

“SPDC es un proceso cuántico y no se sabe si la fuente no producirá nada, un par o dos pares”, señala Kwiat. “La probabilidad de producir exactamente un par de fotones individuales es como máximo del 25 por ciento”.

El profesor de física Fumihiro Kaneda del Instituto de Investigación Frontier para Ciencias Interdisciplinarias de la Universidad de Tohoku. Kaneda es un ex investigador postdoctoral en el grupo Kwiat en el Departamento de Física de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

Kaneda Fumihiro

El profesor de física Fumihiro Kaneda del Instituto de Investigación Frontier para Ciencias Interdisciplinarias de la Universidad de Tohoku. Kaneda es un ex investigador postdoctoral en el grupo Kwiat en el Departamento de Física de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Crédito: Departamento de Física, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign

Kwiat y Kaneda resolvieron este problema de baja eficiencia en SPDC utilizando una técnica llamada multiplexación de tiempo. Para cada ejecución, la fuente de SPDC se pulsa 40 veces en intervalos iguales, produciendo 40 “intervalos de tiempo”, cada uno posiblemente conteniendo un par de fotones (aunque ese sería el caso raramente). Cada vez que se produce un par de fotones, un fotón del par activa un interruptor óptico, que enruta al fotón hermano hacia un almacenamiento temporal en una línea de retardo óptico, un circuito cerrado creado con espejos. Al saber cuándo entró el fotón en el bucle (cuándo se detectó el fotón disparador), los investigadores saben exactamente cuántos ciclos deben retener el fotón antes de cambiarlo. De esta manera, no importa cuál de los 40 pulsos produjo el par, el fotón almacenado siempre se puede liberar al mismo tiempo. Una vez que han ocurrido los 40 pulsos, todos los fotones almacenados se liberan juntos, como si vinieran del mismo contenedor de tiempo.

Kwiat comenta: “Mapear un montón de posibilidades diferentes, todos los diferentes intervalos de tiempo, en uno, mejora enormemente la probabilidad de que pueda ver algo”.

Pulsar la fuente 40 veces esencialmente garantiza que se produzca al menos un par de fotones para cada ejecución.

Además, la línea de retardo en la que se almacenan los fotones tiene una tasa de pérdida de sólo el 1,2 por ciento por ciclo; Debido a que la fuente se pulsa tantas veces, es fundamental tener una tasa de pérdida baja. De lo contrario, los fotones producidos en los primeros pulsos podrían perderse fácilmente.

Cuando los fotones finalmente se liberan, se acoplan en una fibra óptica monomodo con alta eficiencia. Este es el estado en el que deben estar los fotones para ser útiles en aplicaciones de información cuántica.

Kwiat señala que el aumento de eficiencia al generar fotones de esta manera es significativo. Si, por ejemplo, una aplicación requiere una fuente de 12 fotones, se pueden alinear seis fuentes SPDC independientes y esperar un evento cuando cada una de ellas produzca simultáneamente un solo par.

“El mejor experimento competitivo del mundo en este momento que usa estos estados de fotones múltiples tuvo que esperar algo así como dos minutos hasta que obtuvieron un solo evento de este tipo”, señala Kwiat. “Están pulsando a 80 millones de veces por segundo, lo están intentando muy, muy a menudo, pero solo una vez cada dos minutos obtienen este evento en el que cada fuente produce exactamente un par de fotones.

“Podemos calcular en base a nuestra tasa la probabilidad de que podamos producir algo así. En realidad, estamos conduciendo un poco más lento, por lo que solo lo intentamos cada 2 microsegundos (lo intentan 160 veces más a menudo), pero debido a que nuestra eficiencia es mucho mayor con la multiplexación, en realidad podríamos producen algo así como 4.000 eventos de 12 fotones por segundo “.

En otras palabras, la tasa de producción de Kwiat y Kaneda es unas 500.000 veces más rápida.

Sin embargo, como señala Kwiat, quedan algunos problemas por resolver. Un problema surge de la naturaleza aleatoria del proceso de conversión descendente: existe la posibilidad de que en lugar de un solo par de fotones, se puedan producir múltiples pares de fotones. Además, debido a que el proceso de conversión descendente utilizado en este experimento fue relativamente ineficiente, la fuente fue “impulsada” a una tasa más alta, lo que aumenta la probabilidad de que se generen esos pares múltiples no deseados.

Incluso teniendo en cuenta los posibles eventos de fotones múltiples, el nivel de eficiencia de este experimento fue un récord mundial.

Entonces, ¿qué sigue y cómo abordará el equipo de Kwiat estos raros eventos multifotónicos no deseados?

Colin Lualdi, un estudiante de posgrado actual que trabaja en el grupo de investigación de Kwiat, está trabajando para actualizar la fuente con detectores de resolución de números de fotones que descartarían eventos multifotónicos antes de que se active la línea de retardo para almacenarlos. Esta mejora eliminaría por completo el problema de los eventos multifotónicos.

Otra área de investigación en curso para el equipo de Kwiat mejorará la eficiencia de las partes individuales del aparato de fuente de fotón único. Lualdi cree que las mejoras futuras impulsarán la tasa de producción de un solo fotón mucho más allá del experimento actual.

“El objetivo final es poder preparar estados cuánticos puros únicos que podamos utilizar para codificar y procesar información de formas que superen los enfoques clásicos”, explica Lualdi. “Por eso es tan imperativo que estas fuentes produzcan fotones individuales. Si la fuente genera inesperadamente dos fotones en lugar de uno, entonces no tenemos el bloque de construcción básico que necesitamos “.

Y para poder realizar cualquier tipo de procesamiento de información cuántica significativo con estos qubits fotónicos, se necesita una gran cantidad.

Como dice Kwiat, “El campo se está moviendo más allá de los experimentos con solo uno o dos fotones. La gente ahora está tratando de hacer experimentos con 10 a 12 fotones, y eventualmente nos gustaría tener de 50 a 100 fotones “.

Kwiat extrapola que las mejoras que se están realizando en este trabajo podrían allanar el camino hacia la capacidad de generar más de 30 fotones con altas eficiencias. Los resultados de Kwiat y Kaneda nos han acercado un paso más a hacer realidad el procesamiento óptico de información cuántica.

Referencia: “Generación de un solo fotón de alta eficiencia mediante multiplexación en tiempo activo a gran escala” por F. Kaneda y PG Kwiat, 4 de octubre de 2019, Science Advances .
DOI: 10.1126 / sciadv.aaw8586

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