Zespół naukowców z Centrum Optycznych Technologii Kwantowych QOT, w tym studentka Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, skonstruował urządzenie potrafiące dokonać konwersji informacji kwantowej pomiędzy pojedynczymi fotonami mikrofalowymi oraz optycznymi. Wyniki badań dotyczących urządzenia, opublikowane na łamach czasopisma „Nature Photonics”, prezentują nową technikę detekcji mikrofalowej, mogącą znaleźć zastosowania w technologiach kwantowych, jako element infrastruktury kwantowego internetu, oraz w mikrofalowej radioastronomii. Centrum Optycznych Technologii Kwantowych QOT to jedno z 14 centrów doskonałości, które powstały w Polsce dzięki środkom z Funduszy Europejskich w ramach POIR przyznanych przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej.

Konwersja informacji

W czasie odtwarzania muzyki z urządzenia elektronicznego dochodzi do konwersji informacji na temat muzyki – plik zapisany cyfrowo w pamięci urządzenia konwertowany jest na prąd elektryczny, kierowany następnie do głośników. W podobny sposób można konwertować informację kwantową zawartą w fotonach – najmniejszych, niepodzielnych cząstkach światła – na przykład przekazać informację z fotonu mikrofalowego do fotonu optycznego. Operacje na pojedynczych fotonach nastręczają jednak wielu trudności. Przede wszystkim urządzenia wykonujące takie operacje muszą być bardzo precyzyjne i nie mogą wnosić do konwertowanej informacji szumu ani zakłóceń. Dodatkową trudność stanowi fakt, że fotony optyczne mają dziesięć tysięcy razy większą energię niż fotony mikrofalowe i istnieje niewiele ośrodków, które mogą równocześnie oddziaływać z jednymi i drugimi.

Konwersja informacji kwantowej jest jednak kluczowa dla działania tzw. kwantowych sieci hybrydowych – sieci połączeń między różnymi urządzeniami kwantowymi, takimi jak komputery kwantowe wykonujące obliczenia przy pomocy fotonów mikrofalowych oddziałujących z obwodami nadprzewodzącymi. Przesył informacji kwantowej na duże odległości przy pomocy tych fotonów jest utrudniony ze względu na zakłócenia. Sprawy mają się jednak dużo lepiej w przypadku fotonów optycznych, mogących bez problemów przenosić informację kwantową w światłowodach. Mikrofalowo-optyczny konwerter kwantowej informacji może więc w przyszłości stać się kluczową częścią kwantowej karty sieciowej – interfejsu pomiędzy kwantowymi komputerami a kwantowym internetem.

Powiększone atomy

Jednym z obiektów, które mogą oddziaływać z fotonami mikrofalowymi oraz optycznymi, są atomy rydbergowskie, nazwane tak na cześć Johannesa Rydberga, który na przełomie XIX i XX w. zajmował się spektroskopią optyczną i zaproponował słynny wzór Rydberga. Atomy rydbergowskie można otrzymać przez laserowe wzbudzenie elektronu walencyjnego np. w atomie rubidu. Dzięki temu atom zwiększa swój rozmiar tysiąckrotnie oraz nabywa interesujących własności, które są przedmiotem badań wielu grup badawczych na całym świecie. W tym przypadku najistotniejsze jest to, że atomy rydbergowskie są bardzo czułe na promieniowanie mikrofalowe.

Do tej pory konwersja mikrofalowo-optyczna w atomach rydbergowskich została zaprezentowana wyłącznie dla laserowo schłodzonych atomów w skomplikowanym układzie pułapki magnetooptycznej. Naukowcy z UW jako pierwsi pokazali, że konwersja mikrofalowo-optyczna może zajść również w temperaturze pokojowej, dla swobodnego gazu atomowego zamkniętego w szklanej komórce. Dzięki temu znacząco uproszczono konstrukcję układu, wskazując nawet na możliwość miniaturyzacji urządzenia. Dodatkowo zaproponowano nowy schemat konwersji, charakteryzujący się wyjątkowo niskimi zakłóceniami i dzięki temu pozwalający na operacje na pojedynczych fotonach. Zaskoczeniem w badaniach okazała się możliwość użycia tak prostego układu, a mimo to uzyskania parametrów lepszych niż do tej pory. Wynalazek z UW może też działać non-stop, gdyż nie wymaga specjalnego okresu na przygotowanie atomów, co w innych podejściach pochłania nawet ponad 99% czasu pracy urządzenia.

W ramach prezentacji czułości urządzenia zademonstrowano wykrywanie mikrofalowego promieniowania termicznego w temperaturze pokojowej. Po raz pierwszy udało się tego dokonać bez użycia anten mikrofalowych oraz specjalnych niskoszumnych wzmacniaczy. Do zejścia na poziom termiczny wymagana jest czułość na pojedyncze fotony, ale konwerter może działać też dla mikrofal nawet milion razy silniejszych i nie może zostać uszkodzony nawet przez bardzo silne pola, w przeciwieństwie do innych urządzeń mikrofalowych.

Mikrofalowa przyszłość

Technologie kwantowe, które obecnie bardzo szybko się rozwijają, wykorzystują różne nośniki informacji. Komputery kwantowe oparte na złączach nadprzewodzących przechowują kwantową informację w częstościach mikrofalowych, natomiast pamięci kwantowe wykorzystują do tego fotony optyczne. Podobnie jak w przypadku kwantowej karty sieciowej, połączenie obu typów urządzeń wymaga interfejsu, który mógłby sprawnie oddziaływać zarówno w dziedzinie mikrofalowej jak i optycznej – atomy rydbergowskie są tu jednym z proponowanych rozwiązań.

Operacje na pojedynczych fotonach mikrofalowych mogą być również istotne dla pomiarów astronomicznych, badających własności dalekich obiektów lub obserwujących wczesny Wszechświat np. przy pomocy mikrofalowego promieniowania tła. Do tej pory pomiary zachowujące informację kwantową przenoszoną przez mikrofalowe fotony nie były możliwe. Konwersja mikrofalowo-optyczna potencjalnie stwarza miejsce na nową gałąź mikrofalowej radioastronomii.

Ale także codzienna komunikacja może wykorzystać odkrycia związane z detekcją mikrofal. Technologie mobilne nowych generacji do przesyłu wykorzystują pasma mikrofalowe o coraz wyższej częstości, coraz trudniejsze do wytwarzania i wykrywania w obwodach elektronicznych. Może okazać się, że w pewnym momencie atomowe sensory mikrofalowe staną się kluczowym elementem tych technologii, pozwalając na przykład skrócić znany graczom „ping” do absolutnego minimum. Obecnie w Centrum Optycznych Technologii Kwantowych QOT, jak również w innych ośrodkach naukowych na świecie, trwają badania nad wykorzystaniem kwantowych technologii w superczułej detekcji promieniowania mikrofalowego.

Publikacja była efektem pracy w zespole Laboratorium Urządzeń Kwantowo-Optycznych w Centrum Optycznych Technologii Kwantowych QOT przy udziale doktoranta Sebastiana Borówki, magistrantki Uliany Pylypenko, dr. Mateusza Mazelanika oraz kierownika laboratorium, dr. hab. Michała Parniaka. Wszyscy autorzy pracy są też związani z Wydziałem Fizyki UW jako studenci, doktoranci i absolwenci. Co istotne, studenci i doktoranci mogą brać udział w badaniach w QOT w ramach studiów na Wydziale Fizyki UW i doktoratów realizowanych w Szkole Doktorskiej, a wyniki badań wykorzystać do przygotowania prac dyplomowych.

Badania są centralnym wynikiem projektu SONATA17 finansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki. Ponadto, projekt ‘Centrum Optycznych Technologii Kwantowych’ (MAB/2018/4) jest realizowany w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze Fundacji na rzecz Nauki Polskiej współfinansowanego ze środków UE pochodzących z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój. Centrum Optycznych Technologii Kwantowych QOT UW, znajdujące się w CeNT – Centrum Nowych Technologii, jest jednostką badawczą poszukującą praktycznych zastosowań najnowszych odkryć optyki kwantowej.

• Link do publikacji w Nature Photonics:
  Continuous wideband microwave-to-optical converter based on room-temperature Rydberg atoms, Nature Photonics (2023), https://www.nature.com/articles/s41566-023-01295-w, doi: 10.1038/s41566-023-01295-w, S. Borówka, U. Pylypenko, M. Mazelanik, M. Parniak.
• Więcej informacji o ośrodku QOT

Na zdjęciu: zespół badaczy z Centrum Optycznych Technologii Kwantowych pracujący z urządzeniem (od lewej: M. Parniak, U. Pylypenko, M. Mazelanik, S. Borówka); fot. M. Lipka.