The precise measurement of time delays and colour differences is the core of many modern technologies, including spectroscopy and radar. Research conducted by John Donohue, Senior Manager of Scientific Outreach at the Institute for Quantum Computing (IQC), is using quantum-inspired techniques to achieve a new level of precision of measurement.
Donohue was working as a postdoctoral fellow in Professor Christine Silberhorn's Integrated Quantum Optics group at Paderborn University in Germany from 2017 to 2018. The research team, along with collaborators from Palacky University and the Complutense University of Madrid, have demonstrated a new method for measuring and characterizing pulses of light in time with improved precision.
The key to their technique is a homegrown waveguide device called a quantum pulse gate, developed at Paderborn University. This small chip contains and guides light like an optical fibre but has some rather grand capabilities beyond that.
When a laser beam is focused to a small point, it quickly expands back to its original size. By trapping it in a waveguide, laser beams and photons can be tightly focused down to a few millionths of a metre wide and kept that way for a few centimetres.
"Effects that might be difficult to explore by focusing into crystals and other optics become much more efficient and easier to explore (with the waveguides)," Donohue says.
Where physically measuring the distance between two objects is not possible, like stars in space, we must infer it in an indirect way. One way to infer and estimate how far apart two objects or signals are is by using an optical timing measurement to detect pulses of light. However, this can be incredibly difficult to do if those pulses don't share coherence.
"If two pulses are so close together that they bleed into each other, I can't easily separate which is which. I'd need a ton of information to precisely answer the simple problem of how much time is between them,” Donohue says. “In quantum language, to get more information, we need to measure more photons. So how can we get this information while measuring as few photons as possible?”
Donohue knows that with a different set of measurements, inspired by quantum information research, he can get rid of this problem. This will allow him to accurately obtain information through the projection of specific modal shapes.
Taking inspiration from work done with spatial optics, the group applied this thinking to measurement in time. Rather than being interested in how far apart two objects are, they were interested in measuring when two events occur relative to each other.
This is where the waveguide devices proved paramount.
The device is capable of decomposing pulses by their shape, rather than their time of arrival. Instead of asking when the pulse arrives, the device asks the pulse which specific superposition of times it could have arrived at. By decomposing the pulse into these shapes, properties such as the time difference and relative intensities of the pulses can be estimated efficiently.
In their experimental demonstration, the research group focused on how precisely they were able to estimate these parameters per photon measured. They found that their technique was a significant improvement over the existing best possible standard measurement.
Donohue hopes that these tools can be used and applied to quantum information, such as to measure pulse-shape entanglement between photons and study quantum communication.
"While these tools are very useful in classical optics, studying them with an eye on quantum information opens many new doors."
Achieving the Ultimate Quantum Timing Resolution was published in PRX Quantum January 4, 2021.
Des techniques d’inspiration quantique mesurent le temps avec une précision inédite
La mesure précise d’intervalles de temps et de différences de couleur est au cœur de nombreuses technologies modernes, dont celles de la spectroscopie et du radar. Des recherches menées par John Donohue, gestionnaire principal, diffusion des connaissances, à l’Institut d’informatique quantique (IQC), font appel à des techniques d’inspiration quantique pour atteindre un nouveau degré de précision dans les mesures.
En 2017 et 2018, M. Donohue a été postdoctorant au sein du groupe d’optique quantique intégrée de la professeure Christine Silberhorn, à l’Université de Paderborn, en Allemagne. Cette équipe, avec des collaborateurs de l’Université Palacký d’Olomouc et de l’Université Complutense de Madrid, vient de démontrer une nouvelle méthode de mesure et de caractérisation d’impulsions de lumière avec une précision temporelle améliorée.
La clé de cette technique est un guide d’ondes maison, appelé porte d’impulsions quantiques, mis au point à l’Université de Paderborn. Cette petite puce confine et guide la lumière comme une fibre optique, mais elle a aussi d’autres capacités formidables.
Lorsqu’un rayon laser est focalisé sur un petit point, il reprend rapidement sa taille originale. Lorsqu’ils sont piégés dans un guide d’ondes, les rayons laser et les photons peuvent être confinés à l’intérieur d’une largeur de quelques micromètres et conserver cette propriété sur quelques centimètres.
« Avec les guides d’ondes, dit M. Donohue, il est beaucoup plus efficace et facile d’étudier certains effets, que l’on pourrait difficilement étudier en focalisant les rayons laser dans des cristaux ou d’autres dispositifs optiques. » [traduction]
Lorsqu’il n’est pas possible de mesurer physiquement la distance entre 2 objets, par exemple entre 2 étoiles dans l’espace, il faut la calculer d’une manière indirecte. Une manière de calculer et d’estimer la distance entre 2 objets ou 2 signaux consiste à utiliser une mesure optique du temps pour détecter des impulsions lumineuses. Par contre, cela peut être incroyablement difficile si ces impulsions ne sont pas cohérentes.
« Si 2 impulsions sont si proches l’une de l’autre qu’elles se fondent l’une dans l’autre, je ne peux pas facilement les distinguer, dit M. Donohue. J’aurais besoin d’énormément d’information pour répondre avec précision à la simple question de savoir combien de temps il y a entre les deux. En langage quantique, pour obtenir davantage d’information, il faut mesurer plus de photons. Comment peut-on alors obtenir cette information en mesurant le moins de photons possible? » [traduction]
John Donohue sait qu’avec des mesures de nature différente, inspirées de la recherche sur l’information quantique, il peut éliminer ce problème. Cela lui permet d’obtenir une information précise grâce à la projection de formes modales spécifiques.
S’inspirant de travaux effectués en optique spatiale, les membres de l’équipe ont appliqué cette idée à la mesure d’intervalles de temps. Au lieu de s’intéresser à la distance entre 2 objets, ils ont cherché à mesurer l’intervalle de temps entre 2 événements.
C’est là que le guide d’ondes s’est avéré primordial.
Ce dispositif est capable de décomposer des impulsions selon leur forme plutôt que selon le moment de leur arrivée. Au lieu de sonder à quel moment une impulsion arrive, le dispositif cherche à savoir à quelle superposition précise de moments elle aurait pu arriver. En décomposant l’impulsion en ces formes, on peut estimer efficacement des propriétés telles que les intervalles de temps entre les impulsions et les intensités relatives de celles-ci.
Dans sa démonstration expérimentale, l’équipe a mis l’accent sur la précision avec laquelle elle pouvait faire l’estimation de ces paramètres pour chaque photon mesuré. Les chercheurs se sont rendu compte que leur technique représentait une amélioration significative par rapport aux meilleures mesures standard existantes.
M. Donohue espère que ces outils pourront être utilisés et appliqués dans le domaine de l’information quantique, par exemple pour mesurer l’intrication de photons selon la forme des impulsions et étudier la communication quantique.
« Non seulement ces dispositifs sont très utiles en optique classique, dit M. Donohue, mais leur étude du point de vue de l’information quantique pourrait ouvrir beaucoup de nouvelles avenues. » [traduction]
L’article intitulé Achieving the Ultimate Quantum Timing Resolution (Obtenir la résolution temporelle quantique ultime) a été publié le 4 janvier 2021 dans la revue PRX Quantum.