Интегральные источники одиночных фотонов стали в десять раз ярче
Физики создали интегральный источник одиночных фотонов, яркость которого в десять раз выше, чем у лучших предшественников. При маленьких мощностях накачки разработанный источник способен генерировать пары фотонов с мегагерцовыми частотами. Это может пригодиться для масштабирования оптических вычислений, где необходимо объединить все оптические элементы на чипе, по аналогии с электрическими схемами Работа принята для публикации в Physical Review Letters.
Фотонные квантовые вычислители уже превзошли классические в задаче бозонного сэмплинга на 100 кубитах. Следующий закономерный шаг в развитии оптических технологий — увеличение числа кубитов, уменьшение и упрощение оптической схемы для решения сложных прикладных задач.
Оптическая установка для квантовых вычислений состоит из источника одиночных фотонов, основной части, которая изменяет состояния фотонов, и детекторов. Вид основной части зависит от кодировки кубитов: например, если вся информация содержится в поляризации фотонов, то их состояния можно менять с помощью поляризационных пластинок. В последнее время ученые используют пространственное кодирование на чипе, которое заключается в следующем: на каждый кубит приходится два пути (волновода) в чипе, фотон может идти по одному пути — тогда он кодирует 0, или по другому — и тогда он кодирует 1. Оба пути одного фотона могут переплетаться между собой и такое переплетение образует светоделитель. Пути от разных фотонов тоже могут пересекаться, позволяя им взаимодействовать друг с другом.
Чипы-интерферометры для пространственного кодирования можно изготавливать литографическими методами на подложках из кремния, что очень удобно из-за освоенности полупроводниковой технологии. Генерация пар фотонов на этих же чипах позволила бы сделать фотонные процессоры еще миниатюрнее и избежать потерь на вводе излучения в чип. Поэтому ученые активно занимаются разработкой интегральных источников одиночных фотонов и пытаются вывести их на один уровень с уже существующими аналогами.
Один из важных параметров однофотонных источников — яркость. В случае использования нелинейных кристаллов в качестве источников, яркость показывает с какой частотой он испускает пары фотонов при определенной мощности. В результате накачки нелинейного кристалла (в данном случае ниобата лития) происходит спонтанное параметрическое рассеяние и из кристалла начинают вылетать запутанные пары фотонов, которые удовлетворяют условию фазового синхронизма. Кроме того, из-за того, что процесс генерации спонтанный, невозможно определить точные моменты, в которые рождаются фотоны. Для того, чтобы понимать, что на выходе источника есть фотон, детектируют парный ему фотон, который родился вместе с этим фотоном в одно и то же время (этого близнеца называются объявленным (heralded) фотоном).
Группа исследователей из Технологического института Стивенса под руководством Юй-Пин Хуаня (Yu-Ping Huang) смогла на порядок увеличить яркость источника одиночных фотонов на чипе. Ученые изготовили периодически поляризованный кристалл из ниобата лития с высоким коэффициентом нелинейности в виде кольцевого резонатора и накачивали его на длине волны 777,3 нанометра для генерации одиночных фотонов в невырожденном режиме. На подложку из кремния с двухмикрометровым слоем диоксида авторы наносили концентрический периодически поляризованный слой ниобата лития, в котором литографически рисовали кольцевой резонатор и после травления получали нужную структуру.
Для оценки коэффициента нелинейности кристалла, от которого зависит яркость источника, авторы накачивали кристалл и наблюдали за генерацией второй гармоники. В этом процессе падающие фотоны с одинаковыми частотами объединяются внутри кристалла для генерации фотонов с удвоенной частотой. Авторы использовали инфракрасный лазер на длине волны 1554,6 нанометров в качестве накачки и получили эффективность генерации второй гармоники около 20 процентов (для случайного процесса это очень большое значение) при мощности всего 350 микроватт.
После этого ученые накачивали кристалл на длине волны 777,3 нанометра для генерации пар запутанных фотонов. Они тщательно подбирали параметры накачки (именно поэтому длины волн в экспериментах указаны очень точно), температуру кристалла и использовали оптические фильтры после него для того, чтобы увеличить вероятность рождения и детектирования одиночных фотонов. В итоге полученная яркость источника оказалась меньше предсказанной теоретической всего в 2,6 раза, что связано с большой чувствительностью процесса к малейшим изменениям подобранных параметров. Кажется, что чем сильнее накачивать кристалл, тем больше фотонов удастся сгенерировать. Однако, для мощности накачки кристалла существует оптимальное значение и оно определяется отношением парных событий (совпадений на детекторах) к случайным. Дело в том, что при большой мощности накачки, становятся видимыми нелинейные эффекты высших порядков и помимо парных совпадений детекторы регистрируют и многофотонные. Поэтому физики измеряли это соотношение и подобрали мощность, при которой оно максимально.
Последним этапом исследования стала проверка работы источника в режиме с объявленным фотоном. В этом эксперименте они проверяли, что не объявленные фотоны действительно двигаются по одному. Для оценки качества однофотонного источника используют корреляционную функцию второго порядка. Авторы использовали один фотон как объявленный, а на пути другого ставили светоделитель и два детектора в каждом из его плеч. Один фотон не может вызвать одновременный клик обоих детекторов. При изменении задержки между фотонами иногда возможны случаи, когда они приходят на светоделитель вместе и детекторы регистрируют совпадения. Зависимость таких совпадений от временной задержки и описывают корреляционная функция второго порядка. В идеальном случае, минимум этой функции должен быть равен нулю. В работе ученым удалось добиться значения 0.008 в минимуме при нулевой задержке.
Сравнение разработанного источника с другими интегральными аналогами показывает его превосходство в яркости без потери в других параметрах. Его интеграция на чип с другими оптическими элементами позволит создавать быстрые, реконфигурируемые и многофункциональные квантовые устройства.
Разработка других частей квантового компьютера в интегральном исполнении тоже интересует ученых. Китайские физики уже использовали интегральный чип для реализации бозонного сэмплинга, а российские физики разрабатывают фотонный чип для 50-кубитного квантового компьютера.
Оксана Борзенкова
Для этого он снимал на видео и моделировал работу этой игрушки
Американский физик экспериментально и теоретически исследовал вращение нити в стрингшутере — игрушке, в которой небольшие вращающиеся колеса формируют в воздухе стабильные нитевые петли. Построенная ученым модель хорошо объяснила опыт и при этом оказалась достаточно простой, чтобы использовать ее на занятиях по механике. Исследование опубликовано в The Physics Teacher. Стрингшутер (иногда струнный шутер) — это игрушка, представляющая собой длинную замкнутую нить, вращающуюся вдоль своей длины под действием управляющих колесиков или валов подобно лассо. Замечательная особенность стрингшутера в том, что при правильных условиях в воздухе образуется стабильная веревочная петля, по которой можно запускать волны. Этот факт привлек внимание физиков сравнительно недавно и получил удовлетворительное математическое объяснение. Вместе с тем, игрушка могла бы стать хорошим дидактическим материалом при изучении физики, поэтому было бы полезно построить достаточно простую теорию, описывающую петлю, но в то же время объясняющую эксперимент. Сделать это удалось Карлу Мамола (Karl Mamola) из Аппалачского университета. Он записал систему простых уравнений для петли стрингшутера и численно решил их, сравнив результат с вращением нити в настоящей игрушке, а также показал, откуда возникает ее устойчивость. Чтобы двигающаяся петля оставалась в равновесии, необходимо, чтобы была равна нулю не только действующая на нее равнодействующая сила, но и полный момент сил. Особенность игрушки в том, что колеса не создают такого момента, поскольку прилагаемая ими сила имеет нулевое плечо. Аэродинамической подъемной силы в этом случае также не возникает из-за того, что воздушный поток вокруг нити симметричный. Вместо этого воздух создает силу сопротивления, зависящую от скорости. А поскольку модуль скорости постоянен вдоль нити, то таким же свойством обладает и сила сопротивления. Ее интегральное действие на всю петлю формирует момент сил, направленный противоположно гравитационному моменту и обеспечивающий равновесие. С учетом этого факта физик рассмотрел бесконечно малый участок нерастяжимой и абсолютно гибкой нити и записал для него второй закон Ньютона для движения и вращения. Численное интегрирование этих уравнений способно восстановить форму петли, для чего ученому нужны были какие-то конкретные параметры петли. Он взял их из эксперимента с реальной игрушкой, произведенной фирмой LoopLasso, с нитью стрингшутера длиной 3,08 метра и массой 2,72 грамма и диаметром колес 2,7 сантиметра. Боковая фотография нити и ее последующая оцифровка позволили получить координаты участков петли и ее общие параметры: размер, угол запуска и угол возврата. Также физик пометил один из участков нити маркером, что позволило вычислить скорость нити по видео — она составила 7,5 метра в секунду. Автор использовал добытые параметры в моделировании. Единственную неизвестную величину — коэффициент сопротивления — он извлек из подгонки с наилучшим соответствием. Результаты моделирования оказались в хорошем согласии с опытом. Отклонения наблюдались только в области большой кривизны — физик связал это с невыполнением требования абсолютной гибкости. На основе развитой модели он также показал, что момент силы тяжести уравновешивается сопротивлением воздуха вдоль всей нити. Ранее мы рассказывали, как физики объясняют механику других повседневных вещей и явлений: падения бутерброда маслом вниз, живучесть кошек при падении с высоты и переноску чашки с кофе.