Zrównoważony pomiar stanów kwantowych światła

Mechaniczne technologie kwantowe dają nadzieję na zbudowanie potężnych komputerów kwantowych, natomiast kryptografia kwantowa pozwolić na tworzenie kodów, które będą nie do złamania. Jednak aby do tego doszło, konieczne jest dokonanie wiarygodnego pomiaru stanu kwantowego cząstek, takich jak fotony lub atomy.

Pola elektromagnetyczne, które przejawiają właściwości kantowe, są zwykle słabe, a częstotliwości oscylacji wahają się w granicach setek teraherców. Żaden detektor nie jest w stanie śledzić tak szybko następujących zmian. A jednak istnieje technika, która umożliwia pomiary z detekcją fazową fluktuacji kwantowych pola elektrycznego przy użyciu zwyczajnych, "powolnych" detektorów. Trik ten nosi nazwę zrównoważonej detekcji homodynowej.

W ramach finansowanego przez UE projektu CV-QDAPT (Continuous-variable quantum detector and process tomography) badacze odkryli nowy sposób kalibracji detektorów stanów kwantowych materii i światła. Dzięki temu udało im się skalibrować zrównoważony detektor homodynowy — zadanie, którego nie udało się wcześniej wykonać — głównie ze względu na dużą liczbę możliwych wyników generowanych przez zrównoważone detektory homodynowe.

Dzięki zastosowaniu podejścia znanego jako dopasowywanie wzorców danych, zespół projektu CV-QDAPT zdołał skalibrować detektor, uzyskując nieco ponad 150 wyników — rząd wielkości wyższy, niż daje jakikolwiek dobrze scharakteryzowany detektor. Udało się tego dokonać poprzez sondowanie detektora znanymi spójnymi stanami światła generowanego przez laser stabilizowany, którego właściwości zweryfikowano przy pomocy różnych środków.

Skalibrowany detektor wykorzystano do scharakteryzowania różnych stanów kwantowych impulsów optycznych. Wyniki tej wolnej od założeń estymacji stanu kwantowego potwierdziły prawidłowość istniejących modeli teoretycznych zrównoważonej detekcji homodynowej.

Badacze uczestniczący w projekcie CV-QDAPT wykazali także, że metoda dopasowywania wzorców światła, będąca także narzędziem do kalibracji złożonych detektorów kwantowych, nadających się do estymacji nieklasycznych stanów światła, może być również wykorzystana do niezawodnego wykonywania tomografii procesów kwantowych.

Ta nowa metoda zademonstrowana w projekcie CV-QDAPT dopełnia istniejące podejście do tomografii stanu kwantowego, uzupełniając zbiór narzędzi do niezależnej charakterystyki detektorów kwantowych. Badacze oczekują, że metoda ta znajdzie także zastosowanie w systemach kwantowych innych niż światło.