Fotonien monimutkaiset muodot voivat tehostaa tulevaisuuden kvanttiteknologioita

Digitaalisen vallankumouksen räjähdysmäinen kasvu on jo alkanut hiipumaan, ja sen myötä kvanttilaskenta ja kvanttiviestintä ovat yhä suuremman huomion kohteena. Tutkijat ympäri maailmaa kehittävät kvanttimaailman ilmiöihin perustuvaa teknologiaa sekä mittaustekniikoita, joiden toivotaan mahdollistavan uusia läpimurtoja eri tieteenaloilla.

Kaksi Tampereen yliopiston tutkijaa, tenure track -professori Robert Fickler ja tohtorikoulutettava Markus Hiekkamäki, osoittivat että kahden fotonin interferenssiä voidaan manipuloida fotonien muotoja hyödyntämällä. Tulokset julkaistiin arvostetussa Physical Review Letters -tiedelehdessä.

– Tutkimuksemme osoittaa kuinka yhtä valonsädettä muovaamalla on mahdollista saada kaksi valokvanttia interferoimaan toistensa kanssa uudenlaisella ja helposti säädeltävällä tavalla, selventää Markus Hiekkamäki.

Yksittäisten fotonien monimutkaisia muotoja voitaisiin käyttää muun muassa kvanttisalauksessa, ultratarkoissa mittausteknologioissa sekä kvantti-ilmiöitä hyödyntävässä laskennassa. Jotta muotoiltuja fotoneja voitaisiin hyödyntää edellä mainituissa kvanttiteknologioissa, ne täytyy saada interferoimaan muiden fotonien kanssa.

– Käytännössä kaikkien kvanttiteknologisten sovellusten kehittäminen edellyttää kvanttitilojen luotettavaa manipulointia. Kvanttifotoniikan alueella tähän sisältyy sekä yksittäisten fotonien ominaisuuksien manipulointi että useiden fotonien keskinäinen interferenssi, kertoo Robert Fickler, joka johtaa Experimental Quantum Optics -tutkimusryhmää Tampereen yliopistolla.

Lineaarisesta optiikasta lupaavia ratkaisuja kvanttiviestintään ja -laskentaan

Tutkijoiden esittämä menetelmä on erityisen kiinnostava korkeaulotteisen kvantti-informaatiotieteen näkökulmasta, jossa yhdellä tiedonvälittäjäkvantilla on enemmän kuin kaksi mahdollista arvoa. Tällaiset kvanttitilat mahdollistavat suuremman tietomäärän siirron yhdellä fotonilla eivätkä ole yhtä herkkiä ulkoisille häiriöille.

Menetelmä on lupaava esimerkiksi uudentyyppisten lineaaristen optisten laskentapiirien rakentamisessa ja sitä kautta hyödyllinen kvanttitehostetun laskennan kehittämisessä.

– Todistimme kokeellisesti, että kaksi fotonia kykenee ryhmittymään useisiin erilaisiin muotoihin. Tämä on tärkeä askel fotonien hyödyntämiseen useissa erilaisissa kvanttimetrologisissa ja kvantti-informaatioon liittyvissä ratkaisuissa, kertoo Markus Hiekkamäki.

Tutkijoiden seuraava tavoite on hyödyntää menetelmää uudenlaisten kvantti-ilmiöiden tehostamien mittaustekniikoiden kehittämisessä. – Toivomme että tulokset innoittavat tutkimusta fotonien kvanttitilojen muovaamisen rajoista. Tulokset voivat myös vauhdittaa uusien korkeaulotteisia kvanttitiloja hyödyntävien teknologioiden kehitystä, joita ovat muun muassa häiriösietoinen kvanttiviestintä ja innovatiiviset kvanttilaskennan ratkaisut, Robert Fickler lisää.

Lue lisää tutkimuksesta High-Dimensional Two-Photon Interference Effects in Spatial Modes.

Ota yhteyttä

Robert Fickler
puh. 050 447 8492
robert.fickler [at] tuni.fi