Sezyum atomları ve kuantum noktaları, modüler kuantum ağları için ayırt edilemez fotonlar üretir

Büyük ölçekli kuantum iletişim ağları, hem güvenilir kuantum belleklere hem de kuantum bilgilerini verimli bir şekilde değiştirebilen tutarlı tek foton kaynaklarına ihtiyaç duyar. Dar çizgi genişliğine, yüksek parlaklığa, spektral tek biçimliliğe ve kuantum hafızalarla uyumluluğa sahip tek fotonlardan oluşan tutarlı bir kaynak gereklidir. Son yıllarda kuantum noktaları (QD’ler) ve sıcak buhar hücrelerindeki atomlar gibi çeşitli tek foton kaynakları geliştirilmiş olsa da, her birinin kendine özgü sınırlamaları vardır ve bu da ölçeklenebilir ve işlevsel bir kuantum ağının başarılmasını zorlaştırır.

Farklı kuantum ışık kaynaklarını birleştiren hibrit kuantum mimarileri bu zorlukların üstesinden gelebilir. Örneğin, spektral rastgelelikten muzdarip olan ve foton depolamaya pek uygun olmayan QD’ler, güvenilir frekans standartları ve kuantum hafızaları sağlayan atomik sistemlerle eşleştirilebilir. Bu tür mimarilerde QD’ler parlak, yüksek hızlı foton kaynakları olarak hizmet ederken atomik sistemler foton depolama ve senkronizasyonunu yönetir.

Bununla birlikte, bu tür hibrit kuantum mimarilerini gerçekleştirmedeki temel zorluk, farklı kuantum ışık kaynaklarının arayüzlenmesidir. Farklı kaynaklardan yayılan tek fotonlar, farklı uzaysal ve zamansal özellikler sergiler, bu da kayıplara neden olan ve kaynak ihtiyaçlarını artıran modifikasyonları ve senkronizasyonu gerektirir.

Farklı kaynaklardan ayırt edilemeyen fotonlar

Pusan ​​Ulusal Üniversitesi Fizik Bölümü’nden Profesör Han Seb Moon ve Kore Cumhuriyeti’ndeki Ulsan Ulusal Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nden Profesör Je-Hyung Kim liderliğindeki bir araştırma ekibi, çığır açan bir çalışmada, iki farklı kuantum sisteminden ayırt edilemeyen fotonların üretimini başarıyla başardı. Moon, “İlk kez, tamamen bağımsız, fiziksel olarak farklı iki kuantum ışık kaynağından gelen tek fotonlar arasındaki doğrudan iki fotonlu girişimi deneysel olarak gösterdik: sıcak bir sezyum atom topluluğu ve bir yarı iletken kuantum noktası (QD),” diye açıklıyor.

Çalışmaları dergide yayınlandı Işık: Bilim ve Uygulamalar 15 Temmuz 2026’da.

Sezyum ve kuantum noktalarının eşleştirilmesi

Araştırmacılar, bağımsız tek foton kaynakları olarak sıcak sezyum buhar hücrelerini ve kendiliğinden birleşen indiyum arsenit/galyum arsenit (InAs/GaAs) QD’leri kullandılar. Sezyum atomlarını uyarmak için sürekli dalga lazerleri kullanarak, 917 nm’lik iyi tanımlanmış bir dalga boyunda bir sinyal fotonundan ve 852.35 nm’de bir boşta fotondan oluşan müjdeli foton çiftleri ürettiler.

Atomik foton dalga boyunu eşleştirmek için araştırmacılar, QD’leri 12,4 K’ye (-437°F) soğutarak spektral olarak ayarladılar ve 917,48 nm’de tek foton emisyonu ürettiler. Bu, iki kaynak arasında 0,88’lik yüksek spektral örtüşme ile sonuçlandı ve yüksek görünürlüklü iki foton girişimine (TPI) olanak sağladı.

Ekip daha sonra deneysel olarak, QD tarafından yayılan tek fotonlar ile sürekli uyarılma altında sıcak sezyum topluluğundan gelen müjdeli sinyal fotonları arasındaki TPI’yı, özellikle de Hong-Ou-Mandel etkisini gösterdi. Hong-Ou-Mandel TPI, iki ayırt edilemeyen fotonun farklı giriş portları üzerinden bir ışın bölücüye girmesi ve aynı çıkış modunda birlikte tespit edilmesiyle oluşur. TPI’yi ölçmek için araştırmacılar, görünürlüğünü, yani ayırt edilemez ve ayırt edilebilir fotonların TPI’sı arasındaki göreceli kontrastı ölçtüler.

Tespit sisteminin sonlu zaman çözünürlüğü için düzeltme yapıldıktan sonra araştırmacılar, 0,65 ± 0,14’lük yüksek bir girişim görünürlüğü elde etti ve bu, ayırt edilemeyen tekli fotonların kaynaklarına dair doğrudan kanıt sağladı. Dikkat çekici bir şekilde bu, iki kaynak arasında herhangi bir spektral veya zamansal değişiklik yapılmadan başarıldı.

Modüler ağlara giden yol

Moon, “Hibrit kuantum ağımız, foton üretimi ile depolama arasındaki boşluğu dolduruyor ve uzak kuantum yayıcılar için küresel bir frekans standardı sağlıyor” diyor. “Gelecekte, birden fazla kurumu kapsayan modüler kuantum ağlarının temeli haline gelebilir ve çalışan bir kuantum internetin önünü açabilir. Bu tür kuantum iletişim ağları, navigasyon veya algılama için dağıtılmış atomik kuantum sensör ağlarını ve ölçeklenebilir kuantum bilgisayarları için pratik yapı taşlarını içerebilir.”

Genel olarak, bu yenilikçi hibrit kuantum mimarisi, gelecekteki kuantum ağ mimarilerine doğru önemli bir adımı temsil ediyor.