Creare circuiti quantistici flessibili con la luce

I circuiti ottici lineari riprogrammabili sono fondamentali per sviluppare nuove tecnologie che usano la luce. Nel nostro lavoro, ci concentriamo sulla creazione di sistemi che possono cambiare modo di operare a seconda del compito, il che è essenziale per la tecnologia quantistica fotonica. Usare ottiche integrate offre un modo adatto per costruire questi sistemi, ma può essere complicato quando ci sono molte connessioni e dimensioni coinvolte. Usiamo tecniche speciali per manipolare il comportamento della luce, permettendoci di portare a termine compiti complessi con i fotoni, le piccole particelle di luce.

Per mostrare quanto sia efficace il nostro metodo, dimostriamo l'interferenza di due fotoni, un processo chiave nella tecnologia quantistica. Lo facciamo usando una rete che può cambiare configurazione, il che ci permette di analizzare come due fotoni indistinguibili interagiscono tra loro. Misurando quanto siano simili i nostri risultati sperimentali a quelli ideali, esploriamo quanto bene funzioni il nostro sistema. Le nostre scoperte suggeriscono che modellare la luce in ambienti complessi, combinato con alcuni tipi di rivelatori, ci consente di creare circuiti avanzati che possono adattarsi e gestire compiti ad alta dimensione.

L'ottica quantistica, che riguarda lo studio della luce a livello quantistico, ha guadagnato attenzione per il suo potenziale in campi come l'elaborazione delle informazioni, la comunicazione e la misurazione. Un'area specifica di interesse sono le passeggiate quantistiche fotoniche, dove osserviamo come le particelle quantistiche si muovono in contesti diversi.

Nel nostro lavoro, abbiamo sviluppato un sistema flessibile per studiare il movimento di due fotoni usando una Fibra Multimodale che mescola i loro stati. Questo sistema può produrre una vasta gamma di operazioni con diversi input ed è progettato per cambiare impostazioni rapidamente. Ha molti vantaggi rispetto ai sistemi passati, mostrando il suo potenziale per esperimenti futuri che coinvolgono interazioni quantistiche complesse.

La luce della nostra sorgente di fotoni viene modellata prima di entrare nella fibra multimodale. La fibra è importante perché supporta molti percorsi diversi che i fotoni possono seguire mentre perdono poca luce. Questa abilità rende più facile svolgere compiti complessi con singoli fotoni.

I metodi passati faticavano con la scalabilità perché richiedevano vari rivelatori. Questo limitava la praticità nel risolvere alcuni problemi complessi. Molti esperimenti precedenti si basavano sulla misurazione di singoli risultati, il che spesso portava a perdere dati importanti e a essere lenti. Di conseguenza, questi metodi non erano adatti per sistemi più grandi.

Per affrontare queste problematiche, usiamo una matrice di 23 rivelatori a valanga di singoli fotoni (SPAD), che ci consente di contare quanti fotoni interagiscono agli output del nostro sistema. Cambiando la fase della luce con un Modulatore di luce spaziale, possiamo controllare come si comportano i fotoni mentre si muovono attraverso la fibra. Questa flessibilità è fondamentale per apportare modifiche specifiche quando necessario.

Generiamo le nostre coppie di fotoni usando un processo chiamato down conversion parametricamente spontanea, in cui un fotone si divide in due. Questi fotoni hanno polarizzazioni diverse, il che ci aiuta a controllarne il comportamento. Possiamo regolare il tempo tra di loro e osservare la loro interferenza cambiando quanto sono distinguibili l'uno dall'altro. La nostra sorgente produce fotoni di alta qualità, permettendoci di raggiungere risultati impressionanti nei nostri esperimenti.

Nel nostro studio, abbiamo usato la tecnologia SPAD (diode a valanga di singoli fotoni) per rilevare e analizzare i fotoni. I rivelatori hanno un’ottima precisione temporale e sensibilità, permettendoci di misurare con grande precisione quando arrivano i fotoni. Tuttavia, abbiamo affrontato alcune sfide con il rumore proveniente da rivelatori vicini, che potrebbe complicare i nostri risultati. Per far fronte a questo, abbiamo implementato procedure di calibrazione per tenere conto di eventuali rumori.

Abbiamo impostato il nostro esperimento per consentire ai due fotoni, generati dalla nostra sorgente, di passare attraverso un modulatore di luce spaziale e poi in una fibra multimodale. La fibra ha permesso una varietà di mescolanze di stati quantistici mentre potevamo facilmente cambiare come veniva controllata la luce. Ci siamo concentrati sulla misurazione delle coincidenze dei fotoni all'uscita, regolando l'impostazione secondo necessità.

Abbiamo condotto test per vedere quanto bene i nostri esperimenti corrispondessero alle aspettative teoriche. Abbiamo osservato come due fotoni indistinguibili interagissero tra loro e confrontato i dati misurati con le previsioni. I risultati hanno mostrato una buona corrispondenza, indicando che il nostro approccio funziona in modo efficace.

Mentre esaminavamo come la nostra piattaforma potesse essere scalata, abbiamo eseguito diverse operazioni casuali contando le coincidenze tra le coppie di fotoni. Abbiamo scoperto che l’accuratezza dei nostri risultati diminuiva man mano che aumentavamo il numero di rivelatori. Questa diminuzione è dovuta al rumore nelle misurazioni man mano che si aggiungono più rivelatori.

In conclusione, il nostro lavoro presenta un metodo per creare circuiti quantistici adattabili che utilizzano la luce. Questo approccio consente applicazioni più ampie nell'elaborazione delle informazioni quantistiche, inclusi comunicazione e calcolo. Abbiamo dimostrato che le nostre tecniche possono misurare e caratterizzare il comportamento degli stati di due fotoni in modo efficiente. La flessibilità della nostra piattaforma la rende un'opzione entusiasmante per studi futuri che potrebbero esaminare interazioni più complesse e portare a innovazioni nel campo. Le principali sfide che affrontiamo sono il numero di fotoni disponibili e il rumore dei rivelatori vicini, che possono influenzare l'accuratezza delle nostre scoperte. La ricerca futura potrebbe concentrarsi sul miglioramento dei nostri metodi per modellare la luce e cercare fonti più efficaci per ottenere compiti ancora più complessi.