Fotoner, partikler, der repræsenterer en lyskvantum, har allerede vist et stort potentiale for udvikling
Hvad er problemet?
Trods lovende resultaterforeløbige eksperimenter er der behov for et videnskabeligt gennembrud, før fotoniske qubits kan implementeres i stor skala. For eksempel er det kendt, at fotoner kan miste energi og stråling, når de bevæger sig fra et punkt til et andet og ikke interagerer med hinanden.
Forskere fra Københavns Universiteti Danmark har Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC i Spanien og Ruhr University Bochum i Tyskland for nylig udviklet en strategi til at overvinde et af disse problemer, nemlig manglen på foton-foton-interaktion. Deres metode vil i sidste ende hjælpe med udviklingen af mere komplekse kvanteenheder.
Mere end 15 års eksperimenter
Forskere har arbejdet på deterministiskeparring af enkelte kvanteemittere (kvanteprikker) med enkelte fotoner - mere end 15 år. Som et resultat udviklede de en metode baseret på nanofotoniske bølgeledere.
Et objekts determinisme kan forklaresved hjælp af læren om determinisme (fra latin determinare - "at begrænse, skitsere, bestemme"). Ifølge ham hænger alle objekter sammen, og alle fænomener og processer er gensidigt bestemt.
Typisk blev disse enheder brugt tildeterministiske enkeltfotonkilder og kilder til multifotonsammenfiltring. Det var dog også nyttigt til at starte ikke-lineære operationer med fotoner.
Bølgeleder - kunstig eller naturligen ledekanal, hvori en bølge kan forplante sig. Den kraftstrøm, der bæres af bølgen, er placeret præcis inde i selve kanalen. En anden mulighed er, at den er koncentreret i det område, der støder op til kanalen.
Konceptet med sådanne operationer blev først visti 2015. De stødte dog på vanskeligheder, da de skulle undersøge denne effekt yderligere. De forholder sig til spørgsmål om grundlæggende fysik, der ligger til grund for denne komplekse, enkelt-foton og ikke-lineære interaktion.
I tidligere undersøgelser, forskereopdagede, at den fysik, der er ansvarlig for den ikke-lineære interaktion af lysimpulser, også er nyttig til at skabe fotoniske kvanteporte og "fotonsorterere."
Således udførte forskere den første eksperimentelleundersøgelse af ikke-lineære kvanteimpulser, der gennemgår ikke-lineære interaktioner på grund af kobling med en deterministisk koblet kvanteemitter.
Hvad har forskerne gjort?
I et nyt eksperiment har forskerebrugt effektiv og sammenhængende kobling af en enkelt kvanteemitter med en nanofotonisk bølgeleder. Målet er at muliggøre ikke-lineær kvanteinteraktion mellem enkeltfotonbølgepakker.
En bølgepakke er et bestemt sæt bølger,som har forskellige frekvenser. De beskriver en formation med bølgeegenskaber, generelt begrænset i tid og rum.
For at gøre dette brugte forskerne en kvanteprik - en partikel på nanometerstørrelse, der opfører sig som et to-niveau atom. Den blev indbygget i en fotonisk krystalbølgeleder.
Det bemærkelsesværdige ved sådanne systemer er, at kommunikationen i demer deterministisk. Selv en foton, der sendes ind i en bølgeleder, interagerer med en kvanteprik. Hvis du sender impulser, der indeholder to eller flere fotoner, vil det forårsage kvantekorrelationer. Dette skyldes, at kun én foton ad gangen kan interagere med en kvanteprik. I sidste ende, ved at kontrollere varigheden af denne kvantepuls, kan videnskabsmænd tune disse korrelationer og interaktioner mellem fotoner.
Ved hjælp af deres eksperimentelle metode, videnskabsmændI det væsentlige var de i stand til at kontrollere en foton ved hjælp af en anden, som er medieret af en kvanteemitter. Med andre ord implementerede de med succes ikke-lineær foton-foton-interaktion og tvang partikler til at "kommunikere".
Hvor fører det hen?
Som et resultat udviklede videnskabsmænd en metode, dergiver fotoner mulighed for effektivt at interagere med hinanden gennem kommunikation med kvanteprikker. Dette vil hjælpe med at skabe nye retninger for at skabe foton-foton kvanteporte. Opdagelsen vil også være nyttig til at skabe deterministiske fotonsorteringsenheder, som er nødvendige for for eksempel kvanterepeatere.
Quantum repeaters gør det muligt at skabesammenfiltring ved fjerne noder uden fysisk at sende den sammenfiltrede qubit over hele afstanden. Kort sagt forstærker de signalet og forhindrer fotoner i at falme.
Den nye strategi har vigtige konsekvenser for beggeforskning inden for kvantefysik og til udvikling af kvanteteknologier. For eksempel vil metoden åbne for nye muligheder for udvikling af kvanteoptiske enheder, og vil også give fysikere mulighed for at eksperimentere med skræddersyede komplekse fotoniske kvantetilstande.
Hvad er næste?
Forskere vil ikke stoppe op og planlæggeudvide eksperimentet. På et grundlæggende niveau ønsker de at få en dybere forståelse af, hvordan lysets kvantetilstande påvirkes af at rejse gennem en enkelt kvanteprik. Forskere er dog sikre på, at denne kvanteinteraktion kan anvendes i praksis.
Nu forsøger fysikere at bruge ikke-lineærefoton-foton interaktion, implementeret i en nylig undersøgelse, for at simulere vibrationsdynamikken i molekyler. Dette er muligt ved at matche vibrationsdynamikken af komplekse molekyler med udbredelsen af fotoner i avancerede fotoniske kredsløb.
Læs mere:
NASA afslørede oprindelsen af Haumea - den mest mystiske planet i solsystemet
Levende organismer har gjort Mars ubeboelig
Leveren kan arbejde i mere end 100 år: videnskabsmænd fortalte, hvordan dette er muligt
På omslaget:to fotoner, der forplanter sig i en bølgeleder og interagerer med en enkelt kvanteemitter. Som et resultat opnåede forskerne foton-foton-interaktion, hvilket resulterer i korrelationer. Kredit: Le Jeannic et al.