Optyka kwantowa to dziedzina badań, która zajmuje się zastosowaniem mechaniki kwantowej do zjawisk obejmujących światło i jego interakcję z materią. Jednym z głównych celów jest zrozumienie kwantowej natury informacji oraz nauczenie się, jak formułować, manipulować i przetwarzać ją za pomocą systemów fizycznych działających na zasadach mechaniki kwantowej.
- Korelacja koincydencji
- Komunikacja kwantowa
- Stan splątany
- Kwantowa teleportacja
- Kwantowe przetwarzania informacji
- Oferowana aparatura i oprogramowanie
Korelacja koincydencji
Określenie obecności pojedynczego systemu kwantowego
Korelacja koincydencji zachodzących w pikosekundowych przedziałach czasowych może być użyta do określenia, czy obserwowany układ kwantowy jest pojedynczym emiterem fotonów, mając na uwadze fakt, że taki system może emitować na raz tylko jeden foton. Dzieje się tak, ponieważ w typowym systemie kwantowym, takim jak na przykład pojedyncze cząsteczki lub centra defektów w diamentach, istnieje charakterystyczny średni czas życia stanu wzbudzonego, który musi upłynąć, zanim system będzie mógł być ponownie wzbudzony. Gdyby stwierdzono, że dwa detektory jednocześnie odbierają sygnał ze wzbudzonego źródła / emitera (za znaczeniem statystycznym), wtedy oczywiście źródło takie nie może być pojedynczym emiterem fotonów.
W układzie korelacji koincydencji, fotony emitowane przez systemy są dzielone np. za pomocą rozdzielacza światła 50/50 lub splittera polaryzacyjnego i przesyłane do dwóch pojedynczych czułych detektorów fotonów. Sygnał wyjściowy tych detektorów jest następnie wprowadzany do jednostki zliczającej fotony (tagującej) o wysokiej rozdzielczości czasowej, która pozwala nie tylko wykrywać koincydencje w określonym oknie czasowym, ale pozwala na uzyskanie pełnej informacji o korelacjach drugiego lub wyższych rzędów.
Komunikacja kwantowa
Mechanika kwantowa gwarantuje bezpieczną komunikację
Komunikacja kwantowa to dziedzina zastosowania fizyki kwantowej ściśle powiązana z kwantowym przetwarzaniem informacji i teleportacją kwantową. Jego najciekawszą aplikacją jest ochrona kanałów informacyjnych przed podsłuchem za pomocą kryptografii kwantowej. Najbardziej znanym i rozwijanym zastosowaniem kryptografii kwantowej jest kwantowa dystrybucja klucza (QKD). QKD opisuje wykorzystanie efektów mechaniki kwantowej do wykonywania zadań kryptograficznych lub do przełamywania systemów kryptograficznych. Zasada działania systemu QKD jest dość prosta: dwie strony (Alice i Bob) używają pojedynczych fotonów, które są losowo spolaryzowane do stanów zero jedynkowych, aby przesłać szereg losowych sekwencji liczbowych, które są używane jako klucze w komunikacji kryptograficznej. Obie stacje są połączone razem kanałem kwantowym i kanałem klasycznym. Alicja generuje losowy strumień Qbitów (bitów kwantowych) przesyłanych kanałem kwantowym. Po odebraniu strumienia Bob i Alice – używając klasycznego kanału – wykonują klasyczne operacje do sprawdzenia czy jakiś podsłuch próbował pobrać informacje o strumieniu Qbitów. Obecność podsłuchującego ujawnia się przez niedoskonałą korelację między dwiema listami bitów uzyskanymi po transmisji Qbitów między nadajnikiem a odbiornikiem. Ważnym składnikiem praktycznie wszystkich właściwych schematów szyfrowania jest prawdziwa losowość, która może być elegancko wygenerowana za pomocą optyki kwantowej.
W typowym układzie QKD, fotony są generowane przez pojedyncze źródło fotonów, kodowane w wartości binarne (to jest reprezentujące „0” i „1”), a następnie przesyłane do odbiornika za pośrednictwem światłowodów lub w wolnej przestrzeni. Odbiornik dekoduje wtedy stan fotonów i wykrywa je za pomocą detektorów czułych na foton i elektroniki do zliczania zdarzeń. Istnieje kilka metod kodowania i dekodowania fotonów:
- przez polaryzację: informacja binarna „1” lub „0” jest określona przez polaryzację pojedynczych fotonów, np. binarne „0” koreluje z fotonem spolaryzowanym poziomo, a binarna „1” z fotonem spolaryzowanym pionowo,
- przez fazę, która wymaga użycia układu interferometru: różnica faz Δφ = φAlice – φBob dwóch interferometrów jest następnie używana do kodowania wartości binarnych, np. różnica faz Δφ = 0 koreluje z binarnymi „0” i różnica faz Δφ = π koreluje z binarną „1”,
- za pośrednictwem splątanych fotonów, które wymagają jednego nadawcy splątanych par fotonów i dwóch odbiorników (Alice i Bob), z których każdy wyposażony jest w polaryzator. Alice i Bob ustawili losowo dwa kąty w ich odpowiednich rotatorach polaryzacyjnych. Jeśli kąty Alice i Boba pasują do siebie, oba fotony zachowują się dokładnie tak samo na rozdzielaczu wiązki, tj. są albo transmitowane (binarna „1”), albo odbijane (binarne „0”).
Stan splątany
Powszechny stan mechaniki kwantowej układów rozdzielonych
Splątanie kwantowe jest zjawiskiem fizycznym, które występuje, gdy układy kwantowe, takie jak fotony, elektrony, atomy lub cząsteczki, oddziałują ze sobą, a następnie zostają rozdzielone, tak że później dzielą wspólny stan kwantowo-mechaniczny. Nawet gdy para takich splątanych cząsteczek jest daleko od siebie, pozostają one „połączone” w tym sensie, że pomiar na jednym z nich natychmiast ujawnia odpowiedni aspekt stanu kwantowego jego bliźniaczego partnera. Te „aspekty” stanu kwantowego mogą być położeniem, pędem, spinem, polaryzacją itp. Chociaż można to tylko opisać jako superpozycja o nieskończonej wartości dla pary splątanej, pomiar na jednym z partnerów daje określoną wartość, która natychmiast określa odpowiadającą wartość drugiej. Zaskakujące „zdalne połączenie” pomiędzy partnerami i ich natychmiastowe działanie „szybsze niż światło”, które wydaje się sprzeczne z teorią względności, było powodem intensywnych wysiłków badawczych, zarówno teoretycznych, jak i eksperymentalnych. W odpowiednich eksperymentach splątanie jest potwierdzone korelacją wyników pomiarów na oddzielnych bliźniakach.
Uwikłane systemy kwantowe są zazwyczaj analizowane za pomocą metod korelacji koincydencji. W tym celu fotony emitowane przez układy są dzielone np. za pomocą rozdzielacza wiązki 50/50 lub splittera polaryzacyjnego i wysyłane na dwa pojedyncze czułe detektory fotonów. Sygnał wyjściowy tych detektorów jest następnie przesyłany do jednostki zliczającej fotony (tagującej) o wysokiej rozdzielczości czasowej, która pozwala nie tylko wykrywać koincydencje w określonym oknie czasowym, ale także uzyskać pełne korelacje drugiego lub wyższego rzędu.
Kwantowa teleportacja
Qbit (bit kwantowy) przesyłany z jednej lokalizacji do drugiej
Teleportacja kwantowa jest ściśle związana ze splątaniem systemów kwantowych. Można ją zdefiniować jako proces, w którym Qbit (podstawowa jednostka informacji kwantowej) może być przesyłany z jednej lokalizacji do drugiej, bez Qbitu faktycznie przesyłanego w przestrzeni. Kwantowa teleportacja przydaje się do kwantowego przetwarzania informacji i komunikacji kwantowej. Podobnie jak w przypadku splątania, ma ona zastosowanie do prostych i bardziej złożonych systemów kwantowych, takich jak atomy i cząsteczki. Ostatnie badania wykazały teleportację kwantową między systemami atomowymi na duże odległości.
Eksperymenty z teleportacją kwantową na ogół mają kilka warunków wstępnych:
- Odpowiedni sposób generowania splątanej EPR pary Qbitów oraz Qbitu, które mają być teleportowane,
- Zapewnienie tradycyjnego kanału komunikacyjnego zdolnego do transmitowania dwóch klasycznych bitów,
- Odpowiedni sposób wykonywania pomiaru Bella na parze EPR i manipulowania stanem kwantowym jednej z par.
Wynik teleportacji jest następnie analizowany zazwyczaj za pomocą metod korelacji koincydencji. W tym celu fotony emitowane przez układy są dzielone np. za pomocą rozdzielacza wiązki 50/50 lub splittera polaryzacyjnego i wysyłane na dwa pojedyncze czułe detektory fotonów. Sygnał wyjściowy detektorów jest następnie przesyłany do jednostki zliczającej fotony (tagującej) z wysoką rozdzielczością czasową, aby zmierzyć koincydencję.
Kwantowe przetwarzanie informacji
Obliczanie za pomocą Qbitów
Kwantowe przetwarzanie informacji koncentruje się na przetwarzaniu informacji w oparciu o mechanikę kwantową. Podczas gdy obecne komputery cyfrowe kodują dane w cyfrach binarnych (bitach), komputery kwantowe nie są ograniczone do dwóch stanów. Kodują informacje jako bity kwantowe lub Qbity, które mogą istnieć w superpozycji.
Qbity mogą być realizowane w połączeniu z atomami, jonami, fotonami lub elektronami i odpowiednimi urządzeniami sterującymi, które działają razem jako pamięć komputera i jego procesor. Ponieważ komputer kwantowy może jednocześnie zawierać wiele stanów, zapewniają one nieodłączną równoległość. To pozwala im rozwiązywać pewne problemy znacznie szybciej niż jakikolwiek klasyczny komputer wykorzystujący najlepsze obecnie znane algorytmy, takie jak faktoryzacja całkowitoliczbowa lub symulacja kwantowych układów wielu ciał. W chwili obecnej komputer kwantowy jest wciąż w powijakach. Pierwsze kroki na tej drodze to najprostsze klocki, takie jak bramki logiki kwantowej i pamięć bazująca na autentyczności efektów kwantowych, takich jak superpozycja i splątanie.
Istnieje kilka metod stosowanych w konstruowaniu i badaniu właściwości komputerowych bloków kwantowych. W celu potwierdzenia ogólnych właściwości konstruowanych bloków komputera kwantowego przeprowadza się testy ich funkcjonalności. Takie testy bardzo często przeprowadzane są za pomocą metod korelacji koincydencji lub analizy taktowania sygnałów detektora fotonów.
Oferowana aparatura i oprogramowanie
Do opisanego układu pomiarowego PicoQuant oferuje kilka urządzeń, takich jak liczniki zdarzeń, czułe detektory do zliczania pojedynczych fotonów, które można wykorzystać do korelacji koincydencji:
- liczniki zdarzeń / liczniki fotonów:
- MultiHarp 150 – wysokowydajny, wielokanałowy licznik zdarzeń i moduł TCSPC
- HydraHarp 400 – wielokanałowy pikosekundowy liczniki zdarzeń
- PicoHarp 300 – kompaktowy, dwukanałowy licznik zdarze
- TimeHarp 260 – licznik zdarzeń z bardzo krótkim czasem martwym
- detektory pojedynczych fotonów: seria PDM – seria detektorów pojedynczych fotonów opartych na diodach lawinowych
- Generator liczb losowych PQRNG 150 (tylko w przypadku komunikacji kwantowej)
- oprogramowanie do analizy korelacji koincydencji: QuCoa