Tuning photons like a guitar string
New paper from researchers at the Institute for Quantum Computing (IQC) shows new method that could help connect quantum devices
By Naomi Grosman
Institute for Quantum Computing (IQC) researchers at the University of Waterloo have demonstrated a new technique to help connect quantum devices over long distances, a critical component to realizing a quantum internet.
One of the major challenges with quantum communication is how far quantum information can travel because essential quantum properties, like entanglement, can’t be amplified like classical signals without disturbing the information they carry.
Sharing quantum information over long distances is difficult, but possible. By tuning the frequency of individual particles of light (photons) to atoms, those atoms can be used as memory nodes to distribute entanglement with the help of photons between two distant locations.
Using a photon source called a nanowire quantum dot, IQC researchers have demonstrated a new method that fine tunes the source’s frequency to better enable quantum information sharing. By freezing a thin layer of nitrogen gas on the nanowire surface, they managed to tune the quantum dot photons to the frequency of specific atoms called caesium.
A type of cold atom experimental system. The researchers would like to use atoms inside a system like this to serve as a quantum memory for the photons.
“Ours is a new technique that tunes photons from the quantum dot so precisely that they can match specific spectral features of the atoms — similar to hitting exact musical notes when tuning a guitar string.”
- Dr. Rubayet Al Maruf, research associate at IQC and the paper’s lead author.
He adds that this new approach, which is performed inside a cryostat (in-situ) — at temperatures almost as cold as outer space — has never been demonstrated before.
Sreesh Venuturumilli, IQC PhD student from the Department of Electrical and Computer Engineering, added that the tuning can be reversed to adjust the ‘off-key’ photons to the required frequency.
“Atoms ‘talk’ to very specific frequencies and being able to adjust and reverse the tuning is crucial. The quantum dots emit special quantum states of light, like single-photons and entangled photon pairs, and making these photons talk with the atoms allows for novel light-matter interactions.”
-Sreesh Venuturumilli, IQC PhD student and paper's co-author.
Dr. Michal Bajcsy led the research in collaboration with Dr. Michael Reimer and Dr. Kevin Resch. All three are faculty members at IQC. Bajcsy and Reimer are professors in the Department of Electrical and Computer Engineering and Resch is professor in the Department of Physics and Astronomy. The nanowire quantum dots were fabricated by Drs. Dan Dalacu and Philip J. Poole at National Research Council Canada (NRC).
“These quantum dots are an excellent source of single photons and entangled photon pairs; they are bright and can produce photons repeatedly at a fairly fast rate. The quantum dots solve many challenges that come with single-photon sources but needed a fine-tuning mechanism — like the one that we have demonstrated — to interface with atomic quantum memories.”
-Dr. Michal Bajcsy, IQC faculty, professor, Department of Electrical and Computer Engineering.
The group’s demonstration is a small but important step towards a quantum internet becoming a reality. Quantum information will need to be repeated to travel necessary distances, whether it’s for communication via satellites, between computers, or quantum key distribution.
“To be able to connect quantum devices, information will need to be transmitted over long distances without losing its ‘quantumness’ and our new method is a step towards realizing that,” Al Maruf says.
The paper Reversible tuning of nanowire quantum dot to atomic transitions was published in ACS Photonics.
Une étude récente de l’Institut d’informatique quantique propose une nouvelle méthode pour mieux relier les appareils quantiques
Naomi Grosman
Des chercheurs de l’Institut d’informatique quantique (IQC), à l’Université de Waterloo, ont découvert une nouvelle technique facilitant la mise en réseau d’appareils quantiques sur de longues distances, un important pas en avant vers la réalisation d’un internet quantique.
La capacité de l’information quantique à voyager est souvent limitée parce que certaines propriétés quantiques essentielles, comme l’intrication, ne peuvent être amplifiées de la même façon que les signaux classiques sans dégrader l’information.
La communication quantique sur de longues distances est difficile, mais pas impossible. En réglant la fréquence de particules de lumière individuelles (photons) sur des atomes, il est possible d’utiliser ces derniers comme nœuds de mémoire pour distribuer l’intrication entre deux points lointains.
À l’aide d’une source de photons appelée un point quantique nanofilaire, des chercheurs de l’IQC ont fait la preuve d’une nouvelle méthode pour régler très exactement la fréquence de la source afin de faciliter la transmission d’information quantique. En faisant geler une mince couche d’azote gazeux sur la surface d’un nanofil, l’équipe a su régler les photons d’un point quantique sur la fréquence d’atomes bien particuliers : des atomes de césium.
« Notre nouvelle technique règle la fréquence des photons de points quantiques si exactement qu’ils peuvent reproduire la composition spectrale des atomes. C’est un peu comme trouver exactement la note juste en accordant sa guitare. »
– Rubayet Al Maruf, associé de recherche à l’IQC et auteur principal de l’étude
Rubayet Al Maruf précise que cette nouvelle approche, explorée in situ dans un cryostat (à des températures se rapprochant des froids glaciaux du cosmos), n’avait jamais été éprouvée auparavant.
Sreesh Venuturumilli, doctorant du Département de génie électrique et informatique et chercheur à l’IQC, précise que ce réglage peut être inversé pour ramener les photons « désaccordés » sur la bonne fréquence.
« Les atomes se “parlent” sur des fréquences très précises. Il est essentiel de pouvoir les “accorder” exactement, dans un sens comme dans l’autre. Les points quantiques produisent des états de lumière quantiques spéciaux, comme des photons uniques et des paires de photons intriqués; la communication entre ces photons et les atomes révolutionne les interactions entre la lumière et la matière. »
– Sreesh Venuturumilli, doctorant de l’IQC et coauteur de l’étude
Les travaux ont été menés sous la direction de Michal Bajcsy, professeur à l’IQC, en collaboration avec deux de ses confrères à l’Institut, les Prs Michael Reimer et Kevin Resch. Michal Bajcsy et Michael Reimer sont professeurs au Département de génie électrique et informatique, et Kevin Resch, au Département de physique et d’astronomie. Les points quantiques nanofilaires ont été fabriqués par Dan Dalacu et Philip J. Poole au Conseil national de recherches du Canada (CNRC).
« Ces points quantiques sont une excellente source de photons uniques et de paires intriquées. Ils sont lumineux et peuvent produire des photons à répétition et à assez bon rythme. Ils ont la capacité de résoudre de nombreux problèmes que posent les sources de photons uniques, pour peu qu’ils puissent être réglés assez précisément – comme dans notre étude – pour interagir avec la mémoire quantique des atomes. »
– Michal Bajcsy, professeur à l’IQC et au Département de génie électrique et informatique
Cette démonstration est un pas tout simple, mais crucial, vers la réalisation d’un internet quantique. Qu’il soit question de communication par satellite, d’échanges entre ordinateurs ou de distribution quantique de clés, l’information quantique doit être répétée pour traverser de longues distances.
« Pour relier des appareils quantiques, il faut d’abord pouvoir transmettre de l’information sur de longues distances sans perdre ses caractéristiques quantiques, et notre nouvelle méthode nous rapproche un peu plus de ce but », explique Rubayet Al Maruf.
L’article complet, « Reversible Tuning of Nanowire Quantum Dot to Atomic Transitions », a été publié dans ACS Photonics.