Fotony, částice, které jsou kvantem světla, již prokázaly velký potenciál pro rozvoj
Co je za problém?
Navzdory slibným výsledkům předběžných experimentů je zapotřebí vědeckého průlomu, než bude možné fotonické qubity implementovat ve velkém měřítku.Je například známo, že fotony mohou ztrácet energii a záření, když se pohybují z jednoho bodu do druhého a neinteragují mezi sebou.
Vědci z univerzity v Kodaniv Dánsku, Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC ve Španělsku a Ruhr University Bochum v Německu nedávno vyvinuly strategii k překonání jednoho z těchto problémů, konkrétně nedostatku interakce foton-foton. Jejich metoda nakonec pomůže při vývoji složitějších kvantových zařízení.
Více než 15 let experimentů
Vědci pracovali na deterministickémpárování jednotlivých kvantových zářičů (kvantových teček) s jednotlivými fotony – více než 15 let. V důsledku toho vyvinuli metodu založenou na nanofotonických vlnovodech.
Determinismus objektu lze vysvětlits pomocí doktríny determinismu (z latinského determinare - „omezovat, načrtnout, určit“). Všechny objekty jsou podle něj propojeny a všechny jevy a procesy jsou vzájemně determinovány.
Obvykle byla tato zařízení používána prodeterministické jednofotonové zdroje a zdroje vícefotonového zapletení. Byl však také užitečný pro zahájení nelineárních operací s fotony.
Vlnovod - umělý nebo přirozenývodicí kanál, ve kterém se může šířit vlna. Tok energie, který je přenášen vlnou, je umístěn přesně uvnitř samotného kanálu. Další možností je, že se soustředí v prostoru sousedícím s kanálem.
Poprvé byl představen koncept takových operacív roce 2015. Při dalším zkoumání tohoto efektu však narazili na potíže. Týkají se otázek základní fyziky, které jsou základem této komplexní, jednofotonové a nelineární interakce.
V předchozích studiích vědcizjistili, že fyzika, která je zodpovědná za nelineární interakci světelných pulzů, je také užitečná pro vytváření fotonických kvantových hradel a „fotonových třídičů“.
Vědci tak provedli první experimentstudium nelineárních kvantových pulzů, které podléhají nelineárním interakcím díky spojení s deterministicky vázaným kvantovým emitorem.
Co vědci udělali?
V novém experimentu, výzkumnícivyužíval efektivní a koherentní spojení jednoho kvantového emitoru s nanofotonickým vlnovodem. Cílem je umožnit nelineární kvantovou interakci mezi jednofotonovými vlnovými pakety.
Vlnový paket je určitý soubor vln,který má různé frekvence. Popisují útvar s vlnovými vlastnostmi, obecně omezený v čase a prostoru.
K tomu vědci použili jednu kvantovou tečku – částici o velikosti nanometru, která se chová jako dvouúrovňový atom. Byl zabudován do vlnovodu fotonického krystalu.
Pozoruhodnou věcí na takových systémech je komunikace v nichje deterministický. Dokonce i jeden foton vypuštěný do vlnovodu interaguje s kvantovou tečkou. Pokud pošlete pulsy, které obsahují dva nebo více fotonů, způsobí to kvantové korelace. Je to proto, že pouze jeden foton v jednom okamžiku může interagovat s kvantovou tečkou. Nakonec, řízením trvání tohoto kvantového pulsu mohou vědci vyladit tyto korelace a interakce mezi fotony.
Pomocí své experimentální metody vědciV podstatě dokázali ovládat foton pomocí druhého, který je zprostředkován kvantovým emitorem. Jinými slovy, úspěšně implementovali nelineární interakci foton-foton a přinutili částice „komunikovat“.
kam to vede?
V důsledku toho vědci vyvinuli metodu, kteráumožňuje fotonům efektivní vzájemnou interakci prostřednictvím komunikace s kvantovými tečkami. To pomůže vytvořit nové směry pro vytváření foton-fotonových kvantových bran. Objev bude užitečný i pro vytvoření deterministických fotonových třídicích zařízení, která jsou nezbytná například pro kvantové opakovače.
Kvantové opakovače umožňují tvořitzapletení na vzdálených uzlech bez fyzického odeslání zapleteného qubitu po celé vzdálenosti. Jednoduše řečeno, zesilují signál a zabraňují vyblednutí fotonů.
Nová strategie má důležité důsledky pro obavýzkum v oblasti kvantové fyziky a pro rozvoj kvantových technologií. Metoda například otevře nové možnosti pro vývoj kvantových optických zařízení a také fyzikům umožní experimentovat s na míru upravenými komplexními fotonickými kvantovými stavy.
Co bude dál?
Vědci se nezastaví a plánujírozšířit experiment. Na základní úrovni chtějí získat hlubší pochopení toho, jak jsou kvantové stavy světla ovlivněny cestováním jedinou kvantovou tečkou. Vědci jsou však přesvědčeni, že tato kvantová interakce může být aplikována v praxi.
Nyní se fyzici snaží používat nelineárníinterakce foton-foton, implementovaná v nedávné studii, k simulaci vibrační dynamiky molekul. To je možné přizpůsobením vibrační dynamiky komplexních molekul šíření fotonů v pokročilých fotonických obvodech.
Přečtěte si více:
NASA odhalila původ Haumea – nejzáhadnější planety sluneční soustavy
Živé organismy učinily Mars neobyvatelným
Játra mohou fungovat více než 100 let: vědci řekli, jak je to možné
Na obalu:dva fotony šířící se vlnovodem a interagující s jedním kvantovým emitorem. V důsledku toho vědci dosáhli interakce foton-foton, která vede ke korelacím. Poděkování: Le Jeannic et al.