I fotoni, particelle che rappresentano un quanto di luce, hanno già dimostrato un grande potenziale di sviluppo
Qual è il problema?
Nonostante i risultati promettentiesperimenti preliminari, è necessaria una svolta scientifica prima che i qubit fotonici possano essere implementati su larga scala. Ad esempio, è noto che i fotoni possono perdere energia e radiazione quando si spostano da un punto all'altro e non interagiscono tra loro.
Ricercatori dell'Università di Copenaghenin Danimarca, l’Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC in Spagna e l’Università della Ruhr Bochum in Germania hanno recentemente sviluppato una strategia per superare uno di questi problemi, vale a dire la mancanza di interazione fotone-fotone. Il loro metodo alla fine aiuterà nello sviluppo di dispositivi quantistici più complessi.
Più di 15 anni di esperimenti
Gli scienziati hanno lavorato sul determinismoaccoppiando singoli emettitori quantistici (punti quantici) con singoli fotoni - più di 15 anni. Di conseguenza, hanno sviluppato un metodo basato su guide d'onda nanofotoniche.
Il determinismo di un oggetto può essere spiegatocon l'aiuto della dottrina del determinismo (dal latino determinare - “limitare, delineare, determinare”). Secondo lui, tutti gli oggetti sono interconnessi e tutti i fenomeni e i processi sono reciprocamente determinati.
In genere questi dispositivi venivano utilizzati persorgenti deterministiche a fotone singolo e sorgenti di entanglement multifotone. Tuttavia, è stato utile anche per avviare operazioni non lineari con i fotoni.
Guida d'onda: artificiale o naturaleun canale guida in cui un'onda può propagarsi. Il flusso di potenza che viene trasportato dall'onda si trova proprio all'interno del canale stesso. Un'altra opzione è che sia concentrato nell'area di spazio adiacente al canale.
Il concetto di tali operazioni è stato mostrato per la prima voltanel 2015. Tuttavia, hanno incontrato difficoltà durante gli studi approfonditi su questo effetto. Si riferiscono a questioni di fisica fondamentale che sono alla base di questa interazione complessa, a fotone singolo e non lineare.
In studi precedenti, scienziatiha scoperto che la fisica responsabile dell’interazione non lineare degli impulsi luminosi è utile anche per creare porte quantistiche fotoniche e “selezionatori di fotoni”.
Pertanto, gli scienziati hanno condotto il primo esperimentostudio di impulsi quantistici non lineari che subiscono interazioni non lineari dovute all'accoppiamento con un emettitore quantistico accoppiato deterministicamente.
Che cosa hanno fatto gli scienziati?
In un nuovo esperimento, i ricercatoriha utilizzato l'accoppiamento efficiente e coerente di un singolo emettitore quantistico con una guida d'onda nanofotonica. L'obiettivo è consentire l'interazione quantistica non lineare tra pacchetti d'onda a singolo fotone.
Un pacchetto d'onde è un certo insieme di onde,che ha frequenze diverse. Descrivono una formazione con proprietà ondulatorie, generalmente limitate nel tempo e nello spazio.
Per fare ciò, gli scienziati hanno utilizzato un punto quantico, una particella di dimensioni nanometriche che si comporta come un atomo a due livelli. Era incorporato in una guida d'onda a cristallo fotonico.
La cosa notevole di tali sistemi è che la comunicazione al loro internoè deterministico. Anche un solo fotone lanciato in una guida d'onda interagisce con un punto quantico. Se invii impulsi che contengono due o più fotoni, si causeranno correlazioni quantistiche. Questo perché solo un fotone alla volta può interagire con un punto quantico. In definitiva, controllando la durata di questo impulso quantistico, gli scienziati possono mettere a punto queste correlazioni e interazioni tra i fotoni.
Usando il loro metodo sperimentale, gli scienziatiIn sostanza, sono riusciti a controllare un fotone utilizzandone un secondo, mediato da un emettitore quantistico. In altre parole, hanno implementato con successo l’interazione non lineare fotone-fotone e hanno costretto le particelle a “comunicare”.
Dove conduce?
Di conseguenza, gli scienziati hanno sviluppato un metodo checonsente ai fotoni di interagire efficacemente tra loro attraverso la comunicazione con punti quantici. Ciò contribuirà a creare nuove direzioni per la creazione di porte quantistiche fotone-fotone. La scoperta sarà utile anche per creare dispositivi deterministici di smistamento dei fotoni, necessari, ad esempio, per i ripetitori quantistici.
I ripetitori quantistici rendono possibile la creazioneentanglement nei nodi remoti senza inviare fisicamente il qubit entangled sull'intera distanza. In poche parole, amplificano il segnale e impediscono ai fotoni di svanire.
La nuova strategia ha importanti implicazioni per entrambiricerca nel campo della fisica quantistica e per lo sviluppo di tecnologie quantistiche. Ad esempio, il metodo aprirà nuove possibilità per lo sviluppo di dispositivi ottici quantistici e consentirà inoltre ai fisici di sperimentare stati quantistici fotonici complessi su misura.
Qual è il prossimo?
Gli scienziati non si fermeranno a pianificareespandere l'esperimento A livello fondamentale, vogliono acquisire una comprensione più profonda di come gli stati quantistici della luce sono influenzati dal viaggio attraverso un singolo punto quantico. Tuttavia, gli scienziati sono fiduciosi che questa interazione quantistica possa essere applicata nella pratica.
Ora i fisici stanno cercando di usare il non lineareinterazione fotone-fotone, implementata in un recente studio, per simulare la dinamica vibrazionale delle molecole. Ciò è possibile abbinando la dinamica vibrazionale di molecole complesse con la propagazione dei fotoni in circuiti fotonici avanzati.
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Sulla copertina:due fotoni che si propagano in una guida d'onda e interagiscono con un singolo emettitore quantistico. Di conseguenza, gli scienziati hanno ottenuto l'interazione fotone-fotone, che si traduce in correlazioni. Credito: Le Jeannic et al.