Significado de "intensidad" en el efecto Kerr óptico en la computación cuántica óptica

Question

Los medios de Kerr, o medios que muestran el efecto óptico de Kerr, se utilizan en algunos ordenadores cuánticos ópticos -en el caso de Chuang y Nielsen Computación cuántica e información cuántica , pgs. 289 - 290, dice,

La óptica no lineal proporciona un último componente útil para este ejercicio: un material cuyo índice de refracción $n$ es proporcional a la intensidad total $I$ de la luz que lo atraviesa:

$$n(I) = n+n_2I$$

Esto se conoce como el efecto óptico Kerr [...]

Examinando el artículo de Wikipedia para el Efecto Kerr menciona tres (!) efectos Kerr diferentes: el efecto magneto-óptico, el electro-óptico y el efecto Kerr óptico a secas. Dado que la redacción y las ecuaciones coinciden, supongo que el libro se refiere al efecto Kerr óptico (también conocido como efecto Kerr de CA).

La principal diferencia entre el efecto Kerr óptico/AC y el efecto Kerr electroóptico/DC es que para que la versión DC funcione, hay que aplicar manualmente el campo eléctrico al medio, mientras que para la versión de CA, la luz que pasa produce el efecto por sí misma. Hasta aquí, todo bien.

Ahora bien, el problema a mi entender surge al considerar el término "intensidad" ( $I$ ) y lo que significa. Cuando se habla de ordenadores cuánticos ópticos, se habla de fotones individuales , lo que significa que la única forma de variar la energía del fotón es variando la longitud de onda (aunque se trata de una diferencia de energía muy pequeña).

Leyendo algunos artículos, se habla de que la luz es de mayor intensidad para provocar un mayor efecto Kerr...pero es un un solo fotón . ¿Cómo se puede variar la intensidad aquí, de una manera lo suficientemente grande como para cambiar realmente la importancia del efecto?

Answer 1

En cuanto a la intensidad de un monofotón, la cantidad relevante se calcula, como es habitual, a partir de la densidad de energía como $I=uc$ , donde $c$ es la velocidad de la luz, y la densidad de energía $$ u=\frac{\hbar\omega}{V} $$ viene dada por la energía del fotón $\hbar \omega$ (normalmente no más grande que unos pocos eV) dividido por algo llamado modo volumen $V$ . El volumen del modo es una cantidad crucial, pero cambiará de una situación a otra, y es esencialmente el volumen ocupado por el modo en cuestión. Para un modo de cavidad, una buena aproximación es la longitud de la cavidad por la anchura del punto focal, para una fibra es el volumen de la fibra, y así sucesivamente. Rara vez será inferior a un milímetro cúbico.

Si pones esos números ingenuos, obtendrás intensidades que son algunas $22$ órdenes de magnitud más débiles que la unidad atómica de intensidad, y eso da una buena idea de cuánto trabajo hay que hacer. Un experimento ingenuo en el que simplemente se espera que un fotón influya en otro fotón individual a través de una no linealidad de efecto Kerr a la antigua, simplemente no es factible.

Eso no quiere decir que el objetivo sea inalcanzable, y de hecho hay muchos enfoques que proporcionan hojas de ruta creíbles para las interacciones fotón-fotón no lineales (y resultados parciales interesantes en esa dirección), pero implican un trabajo no trivial en el medio de interacción. Rococo enlace en los medios de los átomos de Rydberg es un buen ejemplo, los átomos cerca de las estructuras nanofotónicas es una vía prometedora ( ejemplo ), y así sucesivamente, pero ninguna de las propuestas es (hasta donde yo sé) lo suficientemente escalable como para poder disparar a un ordenador cuántico fotónico basado en la interacción. Sencillamente, los fotones no interactúan entre sí con la suficiente fuerza como para poder hacer puertas de dos fotones con ellos.

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Y, como habéis señalado en los comentarios, esto deja abierta una brecha en cuanto al funcionamiento de los ordenadores cuánticos fotónicos existentes si no se puede utilizar ninguna puerta de enredo de dos fotones. Esta es una cuestión no trivial, y la respuesta es que para hacer computación cuántica se necesita el entrelazamiento entre los qubits constituyentes, pero en realidad no es necesario hacerlo durante el "tiempo de ejecución".

En cambio, el modelo correspondiente se llama computación cuántica basada en la medición La idea es esencialmente que empieces con un estado multi-qubit altamente enredado como recurso, y luego realices un montón de puertas y mediciones de un solo qubit (junto con feed-forward para que, por ejemplo, cada medición pueda influir en qué puertas y mediciones se implementan en el siguiente qubit de la línea) sin más operaciones de enredo.

Esto desplaza la carga a la creación del estado enredado, pero eso puede hacerse al principio. Esto suele ser a través de la conversión paramétrica descendente espontánea, además de un montón de mediciones del estado de Bell, así que ahí es donde termina la no linealidad: la probabilidad sigue siendo baja, pero puedes seguir probando hasta que tengas un estado adecuado, y entonces sigues con el cálculo.

Para más detalles sobre este plan, le remito a esta tesis doctoral .