פוטונים, חלקיקים המייצגים קוואנטום של אור, כבר הוכיחו פוטנציאל גדול להתפתחות
מה הבעיה?
למרות התוצאות המבטיחותניסויים ראשוניים, יש צורך בפריצת דרך מדעית לפני שניתן יהיה ליישם קיוביטים פוטוניים בקנה מידה גדול. למשל, ידוע שפוטונים יכולים לאבד אנרגיה וקרינה כאשר הם נעים מנקודה אחת לאחרת ואינם מקיימים אינטראקציה זה עם זה.
חוקרים מאוניברסיטת קופנהגןבדנמרק, Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC בספרד ואוניברסיטת Ruhr Bochum בגרמניה פיתחו לאחרונה אסטרטגיה להתגבר על אחת מהבעיות הללו, כלומר היעדר אינטראקציה בין פוטון לפוטון. השיטה שלהם תסייע בסופו של דבר בפיתוח של מכשירים קוונטיים מורכבים יותר.
יותר מ-15 שנים של ניסויים
מדענים עבדו על דטרמיניזםזיווג פולטים קוונטיים בודדים (נקודות קוונטיות) עם פוטונים בודדים - יותר מ-15 שנים. כתוצאה מכך, הם פיתחו שיטה המבוססת על מוליכי גל ננו-פוטוניים.
ניתן להסביר את הדטרמיניזם של אובייקטבעזרת תורת הדטרמיניזם (מהלטינית determinare - "להגביל, לשרטט, לקבוע"). לדבריו, כל האובייקטים קשורים זה בזה, וכל התופעות והתהליכים נקבעים הדדית.
בדרך כלל התקנים אלה שימשו עבורמקורות חד-פוטונים דטרמיניסטיים ומקורות של הסתבכות רב-פוטונים. עם זאת, זה היה שימושי גם להפעלת פעולות לא ליניאריות עם פוטונים.
מוליך גל - מלאכותי או טבעיערוץ מנחה שבו גל יכול להתפשט. זרימת הכוח שנישאת על ידי הגל ממוקמת בדיוק בתוך הערוץ עצמו. אפשרות נוספת היא שהוא מרוכז באזור החלל הצמוד לערוץ.
הרעיון של פעולות כאלה הוצג לראשונהבשנת 2015. עם זאת, הם נתקלו בקשיים בעת חקירה נוספת של השפעה זו. הם מתייחסים לשאלות של פיזיקה בסיסית העומדות בבסיס האינטראקציה המורכבת הזו, הפוטונית הבודדת והלא ליניארית.
במחקרים קודמים, מדעניםגילה שהפיזיקה שאחראית לאינטראקציה הלא-לינארית של פעימות האור שימושית גם ליצירת שערים קוונטיים פוטוניים ו"מייני פוטון".
לפיכך, מדענים ערכו את הניסוי הראשוןמחקר של פולסים קוונטיים לא ליניאריים שעוברים אינטראקציות לא ליניאריות עקב צימוד עם פולט קוונטי מצומד דטרמיניסטי.
מה עשו המדענים?
בניסוי חדש, חוקריםהשתמש בצימוד יעיל וקוהרנטי של פולט קוונטי יחיד עם מוליך גל ננופוטוני. המטרה היא לאפשר אינטראקציה קוונטית לא ליניארית בין מנות גל פוטון בודד.
חבילת גל היא קבוצה מסוימת של גלים,בעל תדרים שונים. הם מתארים תצורה עם תכונות גל, מוגבלות בדרך כלל בזמן ובמרחב.
לשם כך השתמשו מדענים בנקודה קוונטית אחת - חלקיק בגודל ננומטר שמתנהג כמו אטום דו-מפלסי. זה היה מובנה לתוך מוליך גל גבישי פוטוני.
הדבר המדהים במערכות כאלה הוא שהתקשורת בהןהוא דטרמיניסטי. אפילו פוטון אחד המשוגר לתוך מוליך גל מקיים אינטראקציה עם נקודה קוונטית. אם תשלח פולסים המכילים שני פוטונים או יותר, זה יגרום למתאמים קוונטיים. הסיבה לכך היא שרק פוטון אחד בכל פעם יכול לקיים אינטראקציה עם נקודה קוונטית. בסופו של דבר, על ידי שליטה על משך הדופק הקוונטי הזה, מדענים יכולים לכוון את המתאמים והאינטראקציות הללו בין פוטונים.
בעזרת שיטת הניסוי שלהם, מדעניםלמעשה, הם הצליחו לשלוט בפוטון באמצעות פוטון שני, המתווך על ידי פולט קוונטי. במילים אחרות, הם יישמו בהצלחה אינטראקציה לא ליניארית של פוטון-פוטון ואילצו חלקיקים "לתקשר".
לאן זה מוביל?
כתוצאה מכך, מדענים פיתחו שיטהמאפשר לפוטונים ליצור אינטראקציה יעילה זה עם זה באמצעות תקשורת עם נקודות קוונטיות. זה יעזור ליצור כיוונים חדשים ליצירת שערים קוונטיים של פוטון-פוטון. התגלית תהיה שימושית גם ליצירת התקני מיון פוטונים דטרמיניסטיים, הנחוצים, למשל, עבור משחזרים קוונטיים.
חוזרים קוונטיים מאפשרים ליצורהסתבכות בצמתים מרוחקים מבלי לשלוח פיזית את הקיוביט המסובך על פני כל המרחק. במילים פשוטות, הם מגבירים את האות ומונעים את דעיכת הפוטונים.
לאסטרטגיה החדשה יש השלכות חשובות על שניהםמחקר בתחום הפיזיקה הקוונטית ולפיתוח טכנולוגיות קוונטיות. כך למשל, השיטה תפתח אפשרויות חדשות לפיתוח מכשירים אופטיים קוונטיים, ותאפשר גם לפיזיקאים להתנסות במצבים קוונטיים פוטונים מורכבים מותאמים אישית.
מה הלאה?
מדענים לא מתכוונים לעצור ולתכנןלהרחיב את הניסוי. ברמה הבסיסית, הם רוצים לקבל הבנה מעמיקה יותר של האופן שבו מצבי אור קוונטיים מושפעים מנסיעה דרך נקודה קוונטית אחת. עם זאת, מדענים בטוחים שניתן ליישם אינטראקציה קוונטית זו בפועל.
כעת מנסים פיזיקאים להשתמש לא ליניאריאינטראקציה בין פוטון לפוטון, המיושמת במחקר שנערך לאחרונה, כדי לדמות את הדינמיקה הרטט של מולקולות. זה אפשרי על ידי התאמת הדינמיקה הרטט של מולקולות מורכבות עם התפשטות פוטונים במעגלים פוטוניים מתקדמים.
קרא עוד:
נאס"א חשפה את מקורו של האומאה - כוכב הלכת המסתורי ביותר במערכת השמש
אורגניזמים חיים הפכו את מאדים לבלתי ניתן למגורים
הכבד יכול לעבוד יותר מ-100 שנים: מדענים אמרו איך זה אפשרי
על הכריכה:שני פוטונים המתפשטים במוליך גל ומקיימים אינטראקציה עם פולט קוונטי יחיד. כתוצאה מכך, המדענים השיגו אינטראקציה בין פוטון לפוטון, מה שמביא למתאמים. קרדיט: Le Jeannic et al.