Photonen, Teilchen, die ein Lichtquant darstellen, haben bereits großes Entwicklungspotenzial gezeigt
Was ist das Problem?
Trotz vielversprechender ErgebnisseNach ersten Experimenten ist ein wissenschaftlicher Durchbruch erforderlich, bevor photonische Qubits in großem Maßstab implementiert werden können. Es ist beispielsweise bekannt, dass Photonen bei der Bewegung von einem Punkt zum anderen Energie und Strahlung verlieren können und nicht miteinander interagieren.
Forscher der Universität Kopenhagenin Dänemark, das Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC in Spanien und die Ruhr-Universität Bochum in Deutschland haben kürzlich eine Strategie entwickelt, um eines dieser Probleme zu überwinden, nämlich die fehlende Photon-Photon-Wechselwirkung. Ihre Methode wird letztendlich bei der Entwicklung komplexerer Quantengeräte helfen.
Mehr als 15 Jahre Experimente
Wissenschaftler haben an Deterministik gearbeitetPaarung einzelner Quantenemitter (Quantenpunkte) mit einzelnen Photonen – mehr als 15 Jahre. Als Ergebnis entwickelten sie eine Methode, die auf nanophotonischen Wellenleitern basiert.
Der Determinismus eines Objekts kann erklärt werdenmit Hilfe der Lehre des Determinismus (von lateinisch determinare – „begrenzen, umreißen, bestimmen“). Ihm zufolge sind alle Objekte miteinander verbunden und alle Phänomene und Prozesse sind wechselseitig bedingt.
Typischerweise wurden diese Geräte verwendet fürdeterministische Einzelphotonenquellen und Quellen der Mehrphotonenverschränkung. Es war jedoch auch nützlich, um nichtlineare Operationen mit Photonen zu initiieren.
Wellenleiter – künstlich oder natürlichein Führungskanal, in dem sich eine Welle ausbreiten kann. Der Kraftfluss, der von der Welle getragen wird, befindet sich genau im Kanal selbst. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass es sich auf den an den Kanal angrenzenden Raumbereich konzentriert.
Das Konzept solcher Operationen wurde erstmals gezeigtim Jahr 2015. Bei der weiteren Untersuchung dieses Effekts stießen sie jedoch auf Schwierigkeiten. Sie beziehen sich auf Fragen der Grundlagenphysik, die dieser komplexen, einphotonischen und nichtlinearen Wechselwirkung zugrunde liegen.
In früheren Studien haben Wissenschaftlerentdeckte, dass die Physik, die für die nichtlineare Wechselwirkung von Lichtpulsen verantwortlich ist, auch für die Schaffung photonischer Quantengatter und „Photonensortierer“ nützlich ist.
So führten Wissenschaftler das erste Experiment durchUntersuchung nichtlinearer Quantenimpulse, die aufgrund der Kopplung mit einem deterministisch gekoppelten Quantenemitter nichtlineare Wechselwirkungen eingehen.
Was haben die Wissenschaftler getan?
In einem neuen Experiment haben Forscherverwendeten eine effiziente und kohärente Kopplung eines einzelnen Quantenemitters mit einem nanophotonischen Wellenleiter. Ziel ist es, eine nichtlineare Quantenwechselwirkung zwischen Einzelphotonenwellenpaketen zu ermöglichen.
Ein Wellenpaket ist eine bestimmte Menge von Wellen,das unterschiedliche Frequenzen hat. Sie beschreiben eine Formation mit Welleneigenschaften, die im Allgemeinen zeitlich und räumlich begrenzt ist.
Dazu verwendeten Wissenschaftler einen Quantenpunkt – ein nanometergroßes Teilchen, das sich wie ein zweistufiges Atom verhält. Es wurde in einen photonischen Kristallwellenleiter eingebaut.
Das Bemerkenswerte an solchen Systemen ist die Kommunikation in ihnenist deterministisch. Sogar ein in einen Wellenleiter geschossenes Photon interagiert mit einem Quantenpunkt. Wenn Sie Impulse senden, die zwei oder mehr Photonen enthalten, führt dies zu Quantenkorrelationen. Dies liegt daran, dass jeweils nur ein Photon mit einem Quantenpunkt interagieren kann. Durch die Steuerung der Dauer dieses Quantenpulses können Wissenschaftler letztendlich diese Korrelationen und Wechselwirkungen zwischen Photonen abstimmen.
Wissenschaftler nutzen ihre experimentelle MethodeIm Wesentlichen konnten sie ein Photon mithilfe eines zweiten steuern, das durch einen Quantenemitter vermittelt wird. Mit anderen Worten: Sie implementierten erfolgreich die nichtlineare Photon-Photon-Wechselwirkung und zwangen die Teilchen zur „Kommunikation“.
Wohin führt es?
Als Ergebnis entwickelten Wissenschaftler eine Methode, dieermöglicht es Photonen, durch Kommunikation mit Quantenpunkten effektiv miteinander zu interagieren. Dies wird dazu beitragen, neue Richtungen für die Herstellung von Photon-Photon-Quantengattern zu schaffen. Die Entdeckung wird auch für die Entwicklung deterministischer Photonensortiergeräte nützlich sein, die beispielsweise für Quantenrepeater erforderlich sind.
Quantenrepeater machen es möglich, etwas zu schaffenVerschränkung an entfernten Knoten, ohne das verschränkte Qubit physisch über die gesamte Distanz zu senden. Einfach ausgedrückt verstärken sie das Signal und verhindern, dass Photonen verblassen.
Die neue Strategie hat wichtige Auswirkungen für beideForschung auf dem Gebiet der Quantenphysik und zur Entwicklung von Quantentechnologien. Die Methode wird beispielsweise neue Möglichkeiten für die Entwicklung quantenoptischer Geräte eröffnen und es Physikern auch ermöglichen, mit maßgeschneiderten komplexen photonischen Quantenzuständen zu experimentieren.
Was weiter?
Wissenschaftler werden nicht innehalten und planenErweitern Sie das Experiment. Auf einer grundlegenden Ebene wollen sie ein tieferes Verständnis dafür erlangen, wie Quantenzustände von Licht durch die Bewegung durch einen einzelnen Quantenpunkt beeinflusst werden. Wissenschaftler sind jedoch zuversichtlich, dass diese Quantenwechselwirkung in der Praxis angewendet werden kann.
Jetzt versuchen Physiker, nichtlineare Methoden zu nutzenPhoton-Photon-Wechselwirkung, implementiert in einer aktuellen Studie, um die Schwingungsdynamik von Molekülen zu simulieren. Dies ist möglich, indem die Schwingungsdynamik komplexer Moleküle an die Ausbreitung von Photonen in fortschrittlichen photonischen Schaltkreisen angepasst wird.
Weiter lesen:
Die NASA enthüllte den Ursprung von Haumea – dem mysteriösesten Planeten im Sonnensystem
Lebende Organismen haben den Mars unbewohnbar gemacht
Die Leber kann mehr als 100 Jahre arbeiten: Wissenschaftler erklärten, wie das möglich ist
Auf dem Cover:zwei Photonen, die sich in einem Wellenleiter ausbreiten und mit einem einzelnen Quantenemitter interagieren. Als Ergebnis erreichten die Wissenschaftler eine Photon-Photon-Wechselwirkung, die zu Korrelationen führt. Quelle: Le Jeannic et al.