Mnohobarevné fotony změní kvantovou informatiku. Kredit: INRS University.

Přední IT společnosti světa v dnešní době mohutně investují do drahých a komplikovaných technologií, které by nás měly dovést ke kvantové elektronice. Výzkumníci institutu Institut national de la recherche scientifique (INRS) Québecké univerzity dosáhli významného průlomu s novým fotonickým systémem, který využívá zařízení na čipu a standardní telekomunikační komponenty. Výsledky výzkumu, který publikoval časopis Nature, dokládají, že když jsou fotony generovány v podobě takzvaných quDitů s entanglovanou barvou (colour-entangled quDits), tak se mohou stát solidním základem kvantové technologie.

Roberto Morandotti. Kredit: INRS.

Nový systém využívá malý a cenově příznivý fotonický čip, který lze vyrobit podobně jako elektronická zařízení. Na čipu je umístěný rezonátor, v němž laser emituje páry fotonů, které sdílejí složitý kvantový stav, který vyjadřuje komponenty frekvence fotonu. Jednoduše řečeno, tyto fotony mají zároveň několik barev a barvy obou fotonů v každém páru jsou navzájem kvantově provázány. Ve skutečnosti šlo o infračervené fotony, takže „barvy“ neodpovídají barvám důvěrně známého viditelného světla.

INRS.

Každá komponenta frekvence fotonu, čili barva, vlastně představuje dimenzi kvantového stavu. Fotony na novém zařízení vznikají jako quDity, což jsou kvantové stavy s vyšším počtem dimenzí.

Fotonický čip s mnohobarevnými fotony. Kredit: INRS University.

Kvantová informatika se až doposud soustředila na využití qubitů, což jsou dvourozměrné kvantové systémy, v nichž jsou v superpozici 2 stavy, tedy nula a jednička. Když ale kvantový systém pracuje s frekvencemi, tedy barvami, tak může být v superpozici mnohem více stavů. Mnohobarevný foton může být zároveň červený a žlutý a zelený a modrý a kdovíjaký ještě. Tak lze zvýšit množství informace, které se vejde na jeden foton.

V INRS nejsou žádní troškaři. Šéf výzkumného týmu Roberto Morandotti potvrdil, že už se jim povedlo zprovoznit kvantový systém, který vytvořil quDity se stovkou dimenzí. Jejich technologii prý bude možné snadno rozšířit na systémy se 2 quDity, které budou mít více než 9 tisíc dimenzí. K něčemu takovému by bylo nutné použít 12 a více qubitů, což by zároveň vyžadovalo mnohem dražší a komplikovanější zařízení. Badatelé zároveň doložili, že s quDity v podobě mnohobarevných fotonů je možné manipulovat s pomocí standardních telekomunikačních komponent.

Nová technologie s mnohobarevnými fotony by mohla zásadně proměnit výzkum a vývoj kvantové elektroniky. Na obzoru se již rýsují aplikace pro kvantovou komunikaci anebo nové komponenty pro kvantovou elektroniku. Podle autorů výzkumu by se jejich mnohobarevné fotony mohly vyrojit v laboratořích po celém světě.

Video:  NSERC Presents 2 Minutes with Roberto Morandotti



Literatura
INRS 28. 6. 2017, Nature 546: 622-626.