Непрерывный широкополосный микроволново-оптический преобразователь на основе ридберговских атомов комнатной температуры
Команда ученых Центра квантово-оптических технологий QOT, в которую входит студент физического факультета Варшавского университета, создала устройство, способное преобразовывать квантовую информацию между микроволновыми и оптическими фотонами. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Photonics, подчеркивают новый метод микроволнового обнаружения с возможным применением в квантовых технологиях, как часть инфраструктуры квантовых сетей, а также в микроволновой радиоастрономии.
Преобразователь МВт в оптический при комнатной температуре.
а — Иллюстрация ридберговского преобразователя теплого пара: микроволновое поле с круговой поляризацией входит в ячейку с парами рубидия, где атомы в ридберговском состоянии, возбужденные в области взаимодействия, определяемой тремя лазерными лучами, вносят вклад в процесс преобразования и генерируют сигнальный луч. Стрелками показаны волновые векторы k взаимодействующих полей, подчиняющиеся принципам синхронизма. Постоянная поставка атомов в основном состоянии обеспечивается максвелловским распределением скоростей, что приводит к непрерывному процессу без необходимости захвата или перекачки атомов.
b — Структура энергетических уровней 85Rb, используемая в процессе конверсии. К атомной среде в околорезонансной схеме прикладывают три сильных поля (зондирующее, связывающее и развязывающее). Введение СВЧ-поля (13,9 ГГц) приводит к преобразованному излучению (сигналу) на переходе 776 нм. Оптимальная трансдукция обеспечивается знакосогласованными σ- переходами (между состояниями максимальных квантовых чисел F и m F ).
c — Сравнение измеренных значений ЭИП и преобразования в области отстройки пробного поля ( δ p ) для резонансного и 55 2 D 5/2 случаев отстройки по уровню. а.е., условные единицы.
d — Тот же EIT и соотношение преобразования, предсказанное численным моделированием.
c , d — Красная штриховка означает общую скорость фотонов сигнала преобразования по отношению к его нулевому фону.
Фото: Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01295-w
Преобразование квантовой информации
Всякий раз, когда вы слушаете песню на своем телефоне или компьютере, происходит преобразование информации: файл, закодированный в цифровой форме в памяти вашего устройства, преобразуется в электрический ток, возбуждающий ваши наушники. Точно так же мы можем преобразовать квантовую информацию, закодированную в фотонах — мельчайших квантах света.
Например, мы можем передать информацию от одного микроволнового фотона к одному оптическому фотону. Однако устройства, способные работать с одним фотоном, довольно сложно реализовать, поскольку они должны быть очень точными и вносить очень мало шума. Кроме того, задача усложняется тем, что оптические фотоны имеют энергию в десять тысяч раз большую, чем микроволновые фотоны, и существует мало сред, способных одновременно взаимодействовать с обоими видами.
Тем не менее, преобразование квантовой информации имеет решающее значение для гибридных квантовых сетей — сетей, соединяющих различные квантовые устройства, такие как квантовые компьютеры. Квантовые вычисления могут быть реализованы с помощью микроволновых фотонов, взаимодействующих со сверхпроводящими цепями, хотя передача на большие расстояния квантовой информации, закодированной таким образом, представляет собой проблему из-за накопления шума.
Однако это больше не проблема для оптических фотонов, которые могут эффективно передавать квантовую информацию по оптическим волокнам. Таким образом, микроволново-оптический преобразователь квантовой информации может стать важной частью адаптера квантовой сети — интерфейса между квантовыми компьютерами и квантовым Интернетом.
Увеличенные атомы
Одной из известных сред, которая может взаимодействовать как с микроволновыми, так и с оптическими фотонами, являются атомы Ридберга, названные в честь Йоханнеса Ридберга, который исследовал оптическую спектроскопию на рубеже XIX века и сформулировал знаменитую формулу Ридберга. Ридберговские атомы можно получить путем лазерного возбуждения валентных электронов, например, в атомах рубидия.
Это приводит к тому, что атомы увеличиваются в размерах в тысячу раз и приобретают множество интересных свойств, которые являются горячей темой исследований во всем научном мире. В этом случае важно знать, что ридберговские атомы очень чувствительны к микроволновому излучению.
До сих пор преобразование микроволнового излучения в оптическое было продемонстрировано только на атомах, охлажденных лазером, попавших в сложную установку магнитооптического захвата. Ученые из Варшавского университета первыми показали, что преобразование микроволнового излучения в оптическое можно реализовать при комнатной температуре в атомных парах внутри стеклянной ячейки.
Предлагаемая конструкция преобразователя существенно проще и в будущем может быть дополнительно миниатюризирована. Кроме того, новая схема преобразования демонстрирует очень низкий уровень шума и поэтому может выполнять операции даже с одиночными фотонами. Несмотря на то, что настройка нового преобразователя намного проще, параметры преобразования на удивление лучше.
В частности, изобретение, сделанное в UW, может работать безостановочно, поскольку атомы не нужно готовить в специально разработанной временной последовательности, которая может занимать более 99% времени работы устройств в экспериментах, проводимых другими группами. .
С помощью преобразователя ученые из Университета Вашингтона продемонстрировали обнаружение микроволнового теплового излучения при комнатной температуре — впервые это было сделано без использования микроволновых антенн или специальных малошумящих усилителей. Чтобы выйти на тепловой уровень, устройство должно быть чувствительным к одиночным фотонам, но, тем не менее, преобразователь может работать при микроволновом излучении в миллион раз сильнее и не может быть поврежден еще более сильными полями, в отличие от других стандартных микроволновых устройств.
Будущее за микроволновками
Быстро развивающиеся квантовые технологии используют различные носители информации. Квантовые компьютеры, основанные на сверхпроводящих переходах, хранят информацию на микроволновых частотах, тогда как квантовая память в основном основана на оптических фотонах. Как и в случае с квантовым сетевым адаптером, для соединения двух типов устройств требуется интерфейс, который может эффективно работать как в микроволновой, так и в оптической области. Атомы Ридберга представлены здесь как решение.
Однофотонные микроволновые операции будут важны в астрономических наблюдениях, исследующих свойства далеких тел или форму ранней Вселенной посредством измерений космического микроволнового фона. До сих пор измерения, сохраняющие квантовую информацию в микроволновых фотонах, были невозможны, и преобразование микроволнового излучения в оптическое может создать совершенно новую отрасль микроволновой радиоастрономии.
Повседневная массовая коммуникация также может извлечь выгоду из открытий в области микроволнового обнаружения. Мобильные технологии следующего поколения будут активно использовать высокочастотные диапазоны микроволновой передачи, которые трудно излучать и обнаруживать в обычных электрических цепях. Однажды атомные микроволновые датчики могут стать важной частью высокоскоростного подключения к Интернету.
Именно поэтому в Центре квантово-оптических технологий QOT, а также в научных институтах по всему миру продолжаются исследования по использованию квантовых технологий в сверхчувствительном микроволновом детектировании.
