Фотоните, частици, които представляват квант светлина, вече са показали голям потенциал за развитие
Какъв е проблемът?
Въпреки обещаващите резултатипредварителни експерименти е необходим научен пробив, преди фотонните кубити да могат да бъдат реализирани в голям мащаб. Например, известно е, че фотоните могат да губят енергия и радиация, когато се движат от една точка в друга и не взаимодействат помежду си.
Изследователи от университета в Копенхагенв Дания, Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC в Испания и Рурският университет Бохум в Германия наскоро разработиха стратегия за преодоляване на един от тези проблеми, а именно липсата на взаимодействие фотон-фотон. Техният метод в крайна сметка ще помогне в разработването на по-сложни квантови устройства.
Повече от 15 години експерименти
Учените работят върху детерминизмасдвояване на единични квантови излъчватели (квантови точки) с единични фотони - повече от 15 години. В резултат на това те разработиха метод, базиран на нанофотонни вълноводи.
Детерминизмът на даден обект може да бъде обясненс помощта на учението за детерминизма (от лат. determinare - „ограничавам, очертавам, определям“). Според него всички обекти са взаимосвързани и всички явления и процеси са взаимно обусловени.
Обикновено тези устройства се използват задетерминистични еднофотонни източници и източници на многофотонно заплитане. Въпреки това беше полезно и за започване на нелинейни операции с фотони.
Вълновод – изкуствен или естественнаправляващ канал, в който може да се разпространява вълна. Силовият поток, който се носи от вълната, се намира точно в самия канал. Друг вариант е той да се концентрира в зоната на пространството, съседно на канала.
Концепцията за такива операции беше показана за първи пътпрез 2015г. Те обаче срещнаха трудности при по-нататъшното изследване на този ефект. Те се отнасят до въпроси на фундаменталната физика, които са в основата на това сложно, еднофотонно и нелинейно взаимодействие.
В предишни проучвания ученитеоткриха, че физиката, която е отговорна за нелинейното взаимодействие на светлинните импулси, също е полезна за създаване на фотонни квантови порти и „сортирачи на фотони“.
Така учените проведоха първия експериментизследване на нелинейни квантови импулси, които претърпяват нелинейни взаимодействия поради свързване с детерминистично свързан квантов излъчвател.
Какво са направили учените?
В нов експеримент изследователитеизползва ефективно и кохерентно свързване на единичен квантов излъчвател с нанофотонен вълновод. Целта е да се даде възможност за нелинейно квантово взаимодействие между еднофотонни вълнови пакети.
Вълновият пакет е определен набор от вълни,който има различни честоти. Те описват формация с вълнови свойства, обикновено ограничена във времето и пространството.
За да направят това, учените са използвали една квантова точка - частица с нанометров размер, която се държи като атом на две нива. Той е вграден във фотонен кристален вълновод.
Забележителното при подобни системи е, че комуникацията в тяхе детерминистично. Дори един фотон, пуснат във вълновод, взаимодейства с квантова точка. Ако изпратите импулси, които съдържат два или повече фотона, това ще предизвика квантови корелации. Това е така, защото само един фотон в даден момент може да взаимодейства с квантова точка. В крайна сметка, чрез контролиране на продължителността на този квантов импулс, учените могат да настроят тези корелации и взаимодействия между фотоните.
Използвайки своя експериментален метод, ученитеПо същество те успяха да контролират фотон, използвайки втори, който се медиира от квантов излъчвател. С други думи, те успешно внедриха нелинейно фотон-фотонно взаимодействие и принудиха частиците да „комуникират“.
Накъде води?
В резултат на това учените разработиха метод, койтопозволява на фотоните ефективно да взаимодействат помежду си чрез комуникация с квантови точки. Това ще помогне за създаването на нови насоки за създаване на фотон-фотонни квантови врати. Откритието ще бъде полезно и за създаване на устройства за детерминистично сортиране на фотони, които са необходими например за квантовите повторители.
Квантовите повторители правят възможно създаванетозаплитане в отдалечени възли без физическо изпращане на заплетения кубит по цялото разстояние. Просто казано, те усилват сигнала и предотвратяват избледняването на фотоните.
Новата стратегия има важни последици и за двете страниизследвания в областта на квантовата физика и за развитието на квантовите технологии. Например, методът ще отвори нови възможности за разработването на квантови оптични устройства и също така ще позволи на физиците да експериментират с персонализирани сложни фотонни квантови състояния.
Какво следва?
Учените няма да спрат и планиратразширете експеримента. На фундаментално ниво те искат да получат по-задълбочено разбиране за това как квантовите състояния на светлината се влияят от пътуването през една квантова точка. Учените обаче са уверени, че това квантово взаимодействие може да се приложи на практика.
Сега физиците се опитват да използват нелинейнивзаимодействие фотон-фотон, приложено в скорошно проучване, за симулиране на вибрационната динамика на молекулите. Това е възможно чрез съпоставяне на вибрационната динамика на сложни молекули с разпространението на фотони в напреднали фотонни вериги.
Прочетете още:
НАСА разкри произхода на Хаумеа - най-загадъчната планета в Слънчевата система
Живите организми са направили Марс необитаем
Черният дроб може да работи повече от 100 години: учени разказаха как е възможно това
На корицата:два фотона, разпространяващи се във вълновод и взаимодействащи с единичен квантов емитер. В резултат на това учените постигнаха взаимодействие фотон-фотон, което води до корелации. Кредит: Le Jeannic et al.