A fotonok, a fénykvantumot képviselő részecskék már nagy fejlődési potenciált mutattak
Mi a probléma?
Az ígéretes eredmények ellenéreAz előzetes kísérletek alapján tudományos áttörésre van szükség ahhoz, hogy a fotonikus kvbiteket nagy léptékben végre lehessen hajtani. Például ismert, hogy a fotonok energiát és sugárzást veszíthetnek, amikor egyik pontból a másikba mozognak, és nem lépnek kölcsönhatásba egymással.
A Koppenhágai Egyetem kutatóiDániában a spanyolországi Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC és a németországi Ruhr University Bochum nemrégiben stratégiát dolgozott ki e probléma egyikének, nevezetesen a foton-foton kölcsönhatás hiányának a leküzdésére. Módszerük végső soron bonyolultabb kvantumeszközök kifejlesztésében segít majd.
Több mint 15 év kísérletezés
A tudósok a determinisztikán dolgoztakegyedi kvantumsugárzók (kvantumpontok) párosítása egyetlen fotonnal – több mint 15 éve. Ennek eredményeként nanofotonikus hullámvezetőkön alapuló módszert fejlesztettek ki.
Egy objektum determinizmusa megmagyarázhatóa determinizmus tanának segítségével (a latin determinare - „korlátozni, körvonalazni, meghatározni”) segítségével. Szerinte minden tárgy összefügg, és minden jelenség és folyamat kölcsönösen meghatározott.
Általában ezeket az eszközöket használtákdeterminisztikus egyfoton források és többfoton összefonódás forrásai. Azonban hasznos volt a fotonokkal végzett nemlineáris műveletek kezdeményezésére is.
Hullámvezető - mesterséges vagy természetesvezetőcsatorna, amelyben a hullám terjedhet. A hullám által hordozott energiaáramlás pontosan a csatornán belül helyezkedik el. Egy másik lehetőség, hogy a csatornával szomszédos térben koncentrálódik.
Először mutatták be az ilyen műveletek koncepcióját2015-ben. A hatás további vizsgálata során azonban nehézségekbe ütköztek. Ezek az alapvető fizika kérdéseihez kapcsolódnak, amelyek ennek az összetett, egyfotonos és nemlineáris kölcsönhatásnak az alapját képezik.
A korábbi tanulmányokban a tudósokfelfedezte, hogy a fényimpulzusok nemlineáris kölcsönhatásáért felelős fizika hasznos a fotonikus kvantumkapuk és „fotonválogatók” létrehozásában is.
Így a tudósok elvégezték az első kísérletetolyan nemlineáris kvantumimpulzusok tanulmányozása, amelyek nemlineáris kölcsönhatásokon mennek keresztül a determinisztikusan csatolt kvantumkibocsátóhoz való kapcsolódás következtében.
Mit tettek a tudósok?
Egy új kísérletben a kutatókegyetlen kvantumsugárzó hatékony és koherens csatolását használta nanofotonikus hullámvezetővel. A cél az egyfoton hullámcsomagok közötti nemlineáris kvantumkölcsönhatás lehetővé tétele.
A hullámcsomag egy bizonyos hullámhalmaz,amelynek különböző frekvenciái vannak. Olyan képződményeket írnak le, amelyek hullámtulajdonságokkal rendelkeznek, általában időben és térben korlátozottak.
Ehhez a tudósok egy kvantumpontot használtak – egy nanométer méretű részecskét, amely kétszintű atomként viselkedik. Fotonikus kristály hullámvezetőbe építették be.
Az ilyen rendszerekben az a figyelemre méltó, hogy a kommunikáció bennükdeterminisztikus. Még egy hullámvezetőbe indított foton is kölcsönhatásba lép egy kvantumponttal. Ha két vagy több fotont tartalmazó impulzusokat küld, az kvantumkorrelációkat okoz. Ennek az az oka, hogy egyszerre csak egy foton tud kölcsönhatásba lépni egy kvantumponttal. Végső soron a kvantumimpulzus időtartamának szabályozásával a tudósok hangolhatják ezeket a fotonok közötti összefüggéseket és kölcsönhatásokat.
Kísérleti módszerüket használva a tudósokLényegében egy második foton segítségével tudtak irányítani egy fotont, amelyet egy kvantumsugárzó közvetít. Más szavakkal, sikeresen megvalósították a nemlineáris foton-foton kölcsönhatást, és „kommunikációra” kényszerítették a részecskéket.
Hová vezet?
Ennek eredményeként a tudósok olyan módszert fejlesztettek ki, amelylehetővé teszi, hogy a fotonok hatékonyan kölcsönhatásba lépjenek egymással a kvantumpontokkal való kommunikáció révén. Ez segít új irányokat létrehozni a foton-foton kvantumkapuk létrehozásához. A felfedezés hasznos lesz determinisztikus fotonválogató eszközök létrehozásában is, amelyekre például kvantumismétlőknél van szükség.
A kvantumismétlők lehetővé teszik a létrehozástösszegabalyodás a távoli csomópontokon anélkül, hogy az összegabalyodott qubitet fizikailag elküldené a teljes távolságra. Egyszerűen fogalmazva, felerősítik a jelet, és megakadályozzák a fotonok elhalványulását.
Az új stratégia mindkettő számára fontos következményekkel járkutatások a kvantumfizika és a kvantumtechnológiák fejlesztése terén. A módszer például új lehetőségeket nyit meg a kvantumoptikai eszközök fejlesztésében, és lehetővé teszi a fizikusok számára, hogy testre szabott komplex fotonikus kvantumállapotokkal is kísérletezzenek.
Mi a következő?
A tudósok nem fognak megállni és terveznibővítse a kísérletet. Alapvetően azt szeretnék elérni, hogy mélyebben megértsék, hogyan befolyásolja a fény kvantumállapotait az egyetlen kvantumponton való áthaladás. A tudósok azonban biztosak abban, hogy ez a kvantumkölcsönhatás a gyakorlatban is alkalmazható.
A fizikusok most a nemlineárist próbálják használnifoton-foton kölcsönhatás, amelyet egy nemrégiben végzett tanulmányban valósítottak meg a molekulák vibrációs dinamikájának szimulálására. Ez úgy lehetséges, hogy összetett molekulák rezgési dinamikáját a fejlett fotonikus áramkörökben a fotonok terjedésével egyeztetjük.
Olvass tovább:
A NASA feltárta a Haumea eredetét - a Naprendszer legtitokzatosabb bolygóját
Az élő szervezetek lakhatatlanná tették a Marsot
A máj több mint 100 évig működhet: a tudósok elmondták, hogyan lehetséges ez
A borítón:két foton terjed egy hullámvezetőben, és kölcsönhatásba lép egyetlen kvantumsugárzóval. Ennek eredményeként a tudósok foton-foton kölcsönhatást értek el, ami összefüggéseket eredményez. Kiadó: Le Jeannic et al.