نصف مليار فوتون في الثانية من نقطة واحدة
السياق
تُعد مصادر الفوتونات المفردة الحتمية بمثابة الخيول العاملة في تقنيات الفوتونات الكمومية، بدءًا من التوزيع الكمومي للمفاتيح وصولاً إلى الحوسبة الكمومية الضوئية. يتزايد عرض النطاق لأي بروتوكول تقريبًا خطيًا مع تردد الساعة للمصدر، ويتناقص أسيًا مع عدم كفاءته. وبجوار هذا العمل في الأرشيف توجد دراسات عن فوتونات مفردة من تجاويف بصرية ورقائق سيليكون ومصانع فوتونات متزامنة، وكلها تتنافس على السرعة والنقاء، لكن حتى الآن لم يتجاوز أحد عتبة نصف غيغاهرتز من التدفق الحقيقي في الألياف. تُظهر هذه المقالة أن النقاط الكمومية في البلورات الفوتونية يمكن أن تعمل عند حدود عمرها الزمني دون أن تفقد كفاءة النظام.
المنهجية
تُقتطع نبضات الليزر من ليزر مستمر بعرض خط أقل من 1 كيلوهرتز باستخدام مُعدِّلين كهروضوئيين متتاليين على نيوبات الليثيوم. يُزاح المُعدِّلان إلى نقطة النفاذية الدنيا لتحقيق أقصى كبت للخلفية، وتُضبط مدة النبضة بين 40 و100 بيكو ثانية. يُحدد تردد الساعة بواسطة مصفوفة بوابات قابلة للبرمجة (FPGA) تتحكم في مولّد النبضات. تُثير هذه النبضات بشكل رنيني إكسيتونًا متعادلًا في نقطة كمومية من InAs/GaAs مدمجة داخل دليل موجي بلوري فوتوني. ومن المهم أنه لا يوجد عمدًا مرشح طيفي في مسار التجميع، بل يُقاس كل الضوء المنبعث بما في ذلك الجناح الفونوني. تم التحقق من الشدة عبر تذبذبات رابي المسجلة بمقياس قدرة بصرية تجاري.
النتائج
عند الإثارة بترددات 80 ميغاهرتز و500 ميغاهرتز و1 غيغاهرتز، يُظهر المصدر اضمحلالًا أحاديًا أسيًا بزمن حياة يبلغ 220 بيكو ثانية. بلغت نقاوة الفوتونات المفردة، المقدرة بالترابط الذاتي من الدرجة الثانية g(2)(0)، 3.98% و3.63% و11.13% على التوالي دون ترشيح طيفي. وبلغت رؤية تداخل الفوتونين هونغ-أو-مانديل 81.83% و80.87% و55.14% في نفس الظروف. وعند إضافة مرشحات عند 80 ميغاهرتز تحسنت النقاوة إلى g(2)(0)=2.80% والرؤية إلى 92.30% على حساب فقدان 12% من الضوء. بلغت القدرة البصرية عند نبضة π 9.57 بيكوواط و57.3 بيكوواط و110 بيكوواط، وهو ما يقابل كفاءة نظام 56.2% و53.8% و51.5%. وعند تردد 1 غيغاهرتز وصل تدفق الفوتونات المفردة في الألياف إلى 515 ميغاهرتز، وهو رقم قياسي لمصادر الحالة الصلبة.
الأهمية
يتميز هذا العمل عن الدراسات المجاورة بأنه ولأول مرة يجمع بين إثارة غيغاهرتز وكفاءة نظام أعلى من 50%، ويقيس التدفق مباشرة عبر القدرة البصرية وليس عبر عدّ الفوتونات. تركز الأعمال المجاورة حول الفوتونات المفردة من التجاويف ورقائق السيليكون على النقاء أو الدمج، لكنها لا تحقق هذا المزيج من السرعة والإخراج المفيد في الألياف. هنا يُعرض حد عملي: يمكن لنقطة كمومية في بلورة فوتونية أن تصدر فوتونات بتردد محدود فقط بزمن حياة الإكسيتون، دون أن تنخفض الكفاءة إلى ما دون النصف.
التطور المستقبلي
الخطوة المنطقية التالية ستكون تقصير زمن حياة الباعث لرفع تردد الساعة فوق 1 غيغاهرتز دون تداخل النبضات. وهناك مسار آخر يتمثل في إزالة تعدد الإرسال للتدفق إلى عدة أنماط مكانية لتجارب متعددة الفوتونات. ومن الممكن أيضًا دمج المصدر مع مفاتيح سريعة لإنشاء حالات عنقودية. كما يبدو التطبيق المترولوجي كمعيار للقدرة البصرية واعدًا، لأن القدرة مرتبطة مباشرة بعدد الفوتونات والتردد.
التأثير
تؤثر النتيجة مباشرة على سرعة التوزيع الكمومي للمفاتيح، حيث يقلل كل فوتون مفقود من المدى والأمان. كما أنها تسرّع الحوسبة الكمومية الضوئية الخطية والتعلم الآلي المعزز كموميًا، حيث يتطلب تدفقًا من الفوتونات التي لا يمكن تمييزها.
الخطوات التالية
المهمة المباشرة هي اختبار عمل المصدر في وضع متعدد الساعات عند 1 غيغاهرتز وقياس انجراف المعاملات. ثم ينبغي تجربة إزالة تعدد الإرسال إلى 4-8 قنوات لتوليد حالات متعددة الكيوبتات.
المسائل المفتوحة الرئيسية
في البصريات الكمومية تظل مشكلة توسيع نطاق المصادر إلى آلاف الباعثات المتطابقة على رقاقة مفتوحة. يحل هذا العمل جزءًا من المشكلة بإظهار أن باعثًا واحدًا يمكن أن يعطي تدفقًا كافيًا لبروتوكولات بعدد معتدل من الفوتونات، لكن للحوسبة الشاملة لا تزال هناك حاجة إلى مصفوفات ذات تجانس عالٍ.
القدرة البصرية البالغة 110 بيكوواط صغيرة جدًا لدرجة أن مؤشر ليزر عادي بقدرة 1 ملي واط يصدر فوتونات أكثر بمقدار 9 ملايين مرة في الثانية. ومع ذلك يمكن قياسها بجهاز تجاري في بضع ثوانٍ.
أرقام رئيسية
- تدفق الفوتونات المفردة: 515 ميغاهرتز
- القدرة البصرية: 110 بيكوواط
- زمن حياة الإكسيتون: 220 بيكو ثانية
- كفاءة النظام: 51.5%
- رؤية HOM بدون مرشح: 55.14%