Τα φωτόνια, σωματίδια που αντιπροσωπεύουν ένα κβάντο φωτός, έχουν ήδη επιδείξει μεγάλες δυνατότητες ανάπτυξης
Ποιο είναι το πρόβλημα?
Παρά τα πολλά υποσχόμενα αποτελέσματαπροκαταρκτικά πειράματα, απαιτείται μια επιστημονική ανακάλυψη προτού τα φωτονικά qubits μπορούν να εφαρμοστούν σε μεγάλη κλίμακα. Για παράδειγμα, είναι γνωστό ότι τα φωτόνια μπορούν να χάσουν ενέργεια και ακτινοβολία όταν μετακινούνται από το ένα σημείο στο άλλο και δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγηςστη Δανία, το Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC στην Ισπανία και το Πανεπιστήμιο του Ruhr Bochum στη Γερμανία ανέπτυξαν πρόσφατα μια στρατηγική για να ξεπεράσουν ένα από αυτά τα προβλήματα, δηλαδή την έλλειψη αλληλεπίδρασης φωτονίων-φωτονίων. Η μέθοδός τους θα βοηθήσει τελικά στην ανάπτυξη πιο πολύπλοκων κβαντικών συσκευών.
Περισσότερα από 15 χρόνια πειραμάτων
Οι επιστήμονες εργάζονται σε ντετερμινιστικάσύζευξη μεμονωμένων κβαντικών εκπομπών (quantum dots) με μεμονωμένα φωτόνια - περισσότερα από 15 χρόνια. Ως αποτέλεσμα, ανέπτυξαν μια μέθοδο που βασίζεται σε νανοφωτονικούς κυματοδηγούς.
Ο ντετερμινισμός ενός αντικειμένου μπορεί να εξηγηθείμε τη βοήθεια του δόγματος του ντετερμινισμού (από το λατινικό determinare - "περιορίζω, σκιαγραφώ, καθορίζω"). Σύμφωνα με αυτόν, όλα τα αντικείμενα είναι αλληλένδετα και όλα τα φαινόμενα και οι διαδικασίες καθορίζονται αμοιβαία.
Обычно эти устройства применяли для детерминированных однофотонных источников и источников многофотонной запутанности. Однако оно пригодилось и для инициирования нелинейных операций с фотонами.
Κυματοδηγός - τεχνητός ή φυσικόςένα κανάλι καθοδήγησης στο οποίο μπορεί να διαδοθεί ένα κύμα. Η ροή ισχύος που μεταφέρεται από το κύμα βρίσκεται ακριβώς μέσα στο ίδιο το κανάλι. Μια άλλη επιλογή είναι ότι συγκεντρώνεται στην περιοχή του χώρου δίπλα στο κανάλι.
Η έννοια τέτοιων λειτουργιών παρουσιάστηκε για πρώτη φοράτο 2015. Ωστόσο, αντιμετώπισαν δυσκολίες κατά την περαιτέρω διερεύνηση αυτού του αποτελέσματος. Σχετίζονται με ερωτήματα θεμελιώδης φυσικής που αποτελούν τη βάση αυτής της πολύπλοκης, μονοφωτονίου και μη γραμμικής αλληλεπίδρασης.
Σε προηγούμενες μελέτες, οι επιστήμονεςανακάλυψε ότι η φυσική που είναι υπεύθυνη για τη μη γραμμική αλληλεπίδραση των παλμών φωτός είναι επίσης χρήσιμη για τη δημιουργία φωτονικών κβαντικών πυλών και «διαλογέων φωτονίων».
Έτσι, οι επιστήμονες διεξήγαγαν το πρώτο πειραματικόμελέτη μη γραμμικών κβαντικών παλμών που υφίστανται μη γραμμικές αλληλεπιδράσεις λόγω σύζευξης με ντετερμινιστικά συζευγμένο κβαντικό πομπό.
Τι έχουν κάνει οι επιστήμονες;
Σε ένα νέο πείραμα, οι ερευνητέςχρησιμοποίησε αποτελεσματική και συνεκτική σύζευξη ενός μόνο κβαντικού εκπομπού με έναν νανοφωτονικό κυματοδηγό. Ο στόχος είναι να επιτραπεί η μη γραμμική κβαντική αλληλεπίδραση μεταξύ πακέτων κυμάτων ενός φωτονίου.
Ένα κυματικό πακέτο είναι ένα ορισμένο σύνολο κυμάτων,που έχει διαφορετικές συχνότητες. Περιγράφουν έναν σχηματισμό με κυματικές ιδιότητες, γενικά περιορισμένες σε χρόνο και χώρο.
Για να γίνει αυτό, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια κβαντική κουκκίδα - ένα σωματίδιο μεγέθους νανομέτρων που συμπεριφέρεται σαν άτομο δύο επιπέδων. Ήταν ενσωματωμένο σε έναν φωτονικό κρύσταλλο κυματοδηγό.
Το αξιοσημείωτο με τέτοια συστήματα είναι ότι η επικοινωνία σε αυτάείναι ντετερμινιστικό. Ακόμη και ένα φωτόνιο που εκτοξεύεται σε έναν κυματοδηγό αλληλεπιδρά με μια κβαντική κουκκίδα. Εάν στείλετε παλμούς που περιέχουν δύο ή περισσότερα φωτόνια, θα προκληθούν κβαντικές συσχετίσεις. Αυτό συμβαίνει επειδή μόνο ένα φωτόνιο τη φορά μπορεί να αλληλεπιδράσει με μια κβαντική κουκκίδα. Τελικά, ελέγχοντας τη διάρκεια αυτού του κβαντικού παλμού, οι επιστήμονες μπορούν να συντονίσουν αυτούς τους συσχετισμούς και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των φωτονίων.
Χρησιμοποιώντας την πειραματική τους μέθοδο, οι επιστήμονεςΣτην ουσία, κατάφεραν να ελέγξουν ένα φωτόνιο χρησιμοποιώντας ένα δεύτερο, το οποίο μεσολαβεί ένας κβαντικός εκπομπός. Με άλλα λόγια, εφάρμοσαν με επιτυχία τη μη γραμμική αλληλεπίδραση φωτονίου-φωτονίου και ανάγκασαν τα σωματίδια να «επικοινωνήσουν».
Πού οδηγεί;
Ως αποτέλεσμα, οι επιστήμονες ανέπτυξαν μια μέθοδο πουεπιτρέπει στα φωτόνια να αλληλεπιδρούν αποτελεσματικά μεταξύ τους μέσω της επικοινωνίας με κβαντικές κουκκίδες. Αυτό θα βοηθήσει στη δημιουργία νέων κατευθύνσεων για τη δημιουργία κβαντικών πυλών φωτονίων-φωτονίων. Η ανακάλυψη θα είναι επίσης χρήσιμη για τη δημιουργία ντετερμινιστικών συσκευών ταξινόμησης φωτονίων, οι οποίες είναι απαραίτητες, για παράδειγμα, για κβαντικούς επαναλήπτες.
Οι κβαντικοί επαναλήπτες καθιστούν δυνατή τη δημιουργίαεμπλοκή σε απομακρυσμένους κόμβους χωρίς φυσική αποστολή του μπερδεμένου qubit σε ολόκληρη την απόσταση. Με απλά λόγια, ενισχύουν το σήμα και εμποδίζουν τα φωτόνια να ξεθωριάσουν.
Η νέα στρατηγική έχει σημαντικές επιπτώσεις και για τους δύοέρευνα στον τομέα της κβαντικής φυσικής και για την ανάπτυξη κβαντικών τεχνολογιών. Για παράδειγμα, η μέθοδος θα ανοίξει νέες δυνατότητες για την ανάπτυξη κβαντικών οπτικών συσκευών και θα επιτρέψει επίσης στους φυσικούς να πειραματιστούν με προσαρμοσμένες σύνθετες φωτονικές κβαντικές καταστάσεις.
Τι άλλο;
Οι επιστήμονες δεν πρόκειται να σταματήσουν και να σχεδιάσουνεπεκτείνετε το πείραμα. Σε ένα θεμελιώδες επίπεδο, θέλουν να αποκτήσουν μια βαθύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο επηρεάζονται οι κβαντικές καταστάσεις του φωτός ταξιδεύοντας μέσα από μια μόνο κβαντική κουκκίδα. Ωστόσο, οι επιστήμονες είναι βέβαιοι ότι αυτή η κβαντική αλληλεπίδραση μπορεί να εφαρμοστεί στην πράξη.
Τώρα οι φυσικοί προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν τη μη γραμμικήαλληλεπίδραση φωτονίου-φωτονίου, που εφαρμόστηκε σε μια πρόσφατη μελέτη, για την προσομοίωση της δονητικής δυναμικής των μορίων. Αυτό είναι δυνατό με την αντιστοίχιση της δυναμικής δόνησης των πολύπλοκων μορίων με τη διάδοση των φωτονίων σε προηγμένα φωτονικά κυκλώματα.
Διαβάστε περισσότερα:
Η NASA αποκάλυψε την προέλευση της Haumea - του πιο μυστηριώδους πλανήτη στο ηλιακό σύστημα
Οι ζωντανοί οργανισμοί έχουν κάνει τον Άρη ακατοίκητο
Το συκώτι μπορεί να λειτουργήσει για περισσότερα από 100 χρόνια: οι επιστήμονες είπαν πώς αυτό είναι δυνατό
Στο εξώφυλλο:δύο φωτόνια που διαδίδονται σε έναν κυματοδηγό και αλληλεπιδρούν με έναν μόνο κβαντικό εκπομπό. Ως αποτέλεσμα, οι επιστήμονες πέτυχαν αλληλεπίδραση φωτονίου-φωτονίου, η οποία οδηγεί σε συσχετίσεις. Πιστώσεις: Le Jeannic et al.