Un progetto dell'UE che lavora con l'ottica ultraveloce, favorisce il controllo sugli stati quantistici spazio-temporali della luce, progresso della scienza dell'informazione quantistica.

La scienza dell'informazione quantistica (QIS) nutre molte speranze per una migliore metrologia e per varie informazioni, Sistemi di comunicazione e tecnologia (ITC). Però, il grado di controllo sugli stati quantistici necessario per rendere l'approccio superiore alle tecniche convenzionali, rende particolarmente impegnativa la realizzazione del potenziale della tecnologia. I cosiddetti "stati schiacciati in sistemi a variabile continua" sono stati ipotizzati come un approccio che potrebbe portare al successo per un migliore controllo degli stati quantistici, in parte perché si pensa che questi sistemi siano scalabili.

Il progetto QCUMBER (Quantum Controlled Ultrafast Multimode Entanglement and Measurement), finanziato dall'UE, esplorato l'uso di tali stati compressi, o stati multifotoni, in diverse modalità temporali basate su dispositivi ottici integrati. In un articolo recentemente pubblicato sulla rivista "Philosophical Transactions A" della Royal Society, i ricercatori esaminano i limiti attuali della compressione della guida d'onda e i limiti di perdita nel processo di conversione.

Coinvolgenti stati schiacciati

Gli autori del documento sottolineano che negli ultimi decenni, sono stati compiuti progressi significativi sulle guide d'onda a bassa perdita, rivelatori di fotoni molto efficienti e processi non lineari. Inoltre, grazie al successo del processo ottico non lineare noto come "conversione di frequenza della somma ingegnerizzata", il funzionamento su modalità a banda larga temporale arbitrarie è ora realizzabile. Questo apre il grado di libertà spettrale per la codifica delle informazioni, spesso nei modi temporali di un singolo fotone.

QCUMBER ha esaminato la prospettiva di combinare, in un sistema a guida d'onda, sia la compressione che la conversione di frequenza selettiva della modalità. Creando un'analogia tra i Quantum Pulse Gates (QPG - circuiti quantistici di base) e le reti spaziali, hanno consentito una visualizzazione del processo per l'entanglement degli stati spremuti o la costruzione di stati variabili continui multimodali complessi.

Guardando la spremitura ottenibile in un singolo passaggio KTP, guida d'onda monomodale, il team ha scoperto che era possibile spremere fino a 20 decibel, ma il comportamento complicato del processo, ha provocato un notevole degrado, limitando l'efficienza di conversione al di sotto del 90 %. Però, sottolineano che questo è ancora promettente per il futuro della tecnologia. Proseguono sostenendo che per le applicazioni in cui è sufficiente una bassa efficienza di conversione, questo non rappresenta un problema e l'adattamento di fase può essere progettato utilizzando un modello semplice senza la necessità di potenza della pompa.

Nel dominio spettrale, il team ha anche ottenuto l'entanglement in una struttura a pettine di frequenza a onda continua fino a 60 modalità temporali e circa 10 modalità in un pulsato, sistema ultraveloce. Riferiscono che una volta che la spremitura riesce a raggiungere determinate soglie, la correzione degli errori per il calcolo quantistico diventa possibile, che guiderà la scienza in avanti.

Sfruttando tempistiche estreme e ampi spettri

Gli impulsi di luce ultraveloci offrono opportunità per comprendere meglio le dinamiche del sistema sottostante su scale temporali di durata molto breve. Lo sfruttamento degli attributi quantistici della luce ha fatto progredire le conoscenze fisiche fondamentali raccolte attraverso la sperimentazione ed è stato fondamentale per il progresso nella comunicazione quantistica e nella metrologia quantistica. Infatti, La metrologia ad alta precisione è stata resa possibile grazie allo sfruttamento della struttura a pettine ad ampia frequenza creata dai treni di impulsi luminosi ultraveloci.

QCUMBER è stato creato per indagare ulteriormente sulle opportunità che potrebbero esistere nella relazione tra le proprietà quantistiche della luce su scale temporali estreme e su spettri estremamente ampi. Lo sfruttamento della struttura degli impulsi quantistici ultraveloci consentirà misurazioni tempo-frequenza sempre più precise e introdurrà l'innovazione per l'elaborazione scalabile delle informazioni quantistiche.