Fotonen, deeltjes die een kwantum licht vertegenwoordigen, hebben al een groot ontwikkelingspotentieel laten zien
Wat is het probleem?
Ondanks veelbelovende resultatenvoorafgaande experimenten is er een wetenschappelijke doorbraak nodig voordat fotonische qubits op grote schaal kunnen worden geïmplementeerd. Het is bijvoorbeeld bekend dat fotonen energie en straling kunnen verliezen wanneer ze van het ene punt naar het andere gaan en geen interactie met elkaar hebben.
Onderzoekers van de Universiteit van Kopenhagenin Denemarken hebben het Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC in Spanje en de Ruhr Universiteit Bochum in Duitsland onlangs een strategie ontwikkeld om een van deze problemen te overwinnen, namelijk het gebrek aan foton-foton-interactie. Hun methode zal uiteindelijk helpen bij de ontwikkeling van complexere kwantumapparaten.
Meer dan 15 jaar experimenten
Wetenschappers hebben gewerkt aan deterministischhet koppelen van enkele kwantumzenders (kwantumdots) aan enkele fotonen - meer dan 15 jaar. Als resultaat ontwikkelden ze een methode gebaseerd op nanofotonische golfgeleiders.
Het determinisme van een object kan worden verklaardmet behulp van de leer van het determinisme (van het Latijnse determinare - "beperken, schetsen, bepalen"). Volgens hem zijn alle objecten met elkaar verbonden en zijn alle verschijnselen en processen onderling bepaald.
Meestal werden deze apparaten gebruiktdeterministische bronnen van enkelvoudige fotonen en bronnen van verstrengeling van meerdere fotonen. Het was echter ook nuttig voor het initiëren van niet-lineaire operaties met fotonen.
Golfgeleider - kunstmatig of natuurlijkeen geleidekanaal waarin een golf zich kan voortplanten. De krachtstroom die door de golf wordt gedragen, bevindt zich precies in het kanaal zelf. Een andere optie is dat het geconcentreerd wordt in het ruimtegebied grenzend aan het kanaal.
Het concept van dergelijke operaties werd voor het eerst getoondin 2015. Ze ondervonden echter problemen bij het verder onderzoeken van dit effect. Ze hebben betrekking op vragen uit de fundamentele natuurkunde die ten grondslag liggen aan deze complexe, niet-lineaire interactie met één foton.
In eerdere onderzoeken hebben wetenschappersontdekte dat de fysica die verantwoordelijk is voor de niet-lineaire interactie van lichtpulsen ook nuttig is voor het creëren van fotonische kwantumpoorten en ‘fotonensorteerders’.
Zo voerden wetenschappers het eerste experiment uitstudie van niet-lineaire kwantumpulsen die niet-lineaire interacties ondergaan als gevolg van koppeling met een deterministisch gekoppelde kwantumemitter.
Wat hebben de wetenschappers gedaan?
In een nieuw experiment, onderzoekersgebruikte efficiënte en coherente koppeling van een enkele kwantumzender met een nanofotonische golfgeleider. Het doel is om niet-lineaire kwantuminteractie tussen golfpakketten met één foton mogelijk te maken.
Een golfpakket is een bepaalde reeks golven,die verschillende frequenties heeft. Ze beschrijven een formatie met golfeigenschappen, die doorgaans beperkt zijn in tijd en ruimte.
Om dit te doen, gebruikten wetenschappers één kwantumdot: een deeltje ter grootte van een nanometer dat zich gedraagt als een atoom met twee niveaus. Het werd ingebouwd in een fotonische kristalgolfgeleider.
Примечательность таких систем, что связь в них является детерминированной. Даже один фотон, запущенный в волновод, взаимодействует с квантовой точкой. Если отправить импульсы, которые содержат два или более фотона, это вызовет квантовые корреляции. Все потому, что только один фотон за раз может взаимодействовать с квантовой точкой. В итоге, управляя длительностью этого квантового импульса, ученые могут настроить эти корреляции и взаимодействие между фотонами.
Используя свой экспериментальный метод, ученые, по сути, смогли управлять фотоном, используя второй, который опосредован квантовым излучателем. Другими словами, они успешно реализовали нелинейное фотон-фотонное взаимодействие, заставили частицы «общаться».
Waar leidt het toe?
В итоге, ученые разработали метод, который позволяет фотонам эффективно взаимодействовать друг с другом посредством связи с квантовыми точками. Это поможет создать новые направления для создания фотон-фотонных квантовых вентилей. Также открытие пригодится для создания детерминированных устройств сортировки фотонов, которые необходимы, например, для квантовых повторителей.
Квантовые повторители позволяют создать запутанность в удаленных узлах без физической отправки запутанного кубита на все расстояние. Проще говоря, они усиливают сигнал, и не дают фотонам затухать.
Новая стратегия имеет важные последствия как для исследований в области квантовой физики, так и для развития квантовых технологий. Например, метод откроет новые возможности для разработки квантово-оптических устройств, а также позволит физикам экспериментировать с адаптированными сложными фотонными квантовыми состояниями.
Wat is de volgende stap?
Ученые не собираются останавливаться и планируют расширить эксперимент. На фундаментальном уровне они хотят глубже понять, как на квантовые состояния света влияют путешествие через одну квантовую точку. Однако ученые уверены — это квантовое взаимодействие можно применить на практике.
Сейчас физики пытаются использовать нелинейное фотон-фотонное взаимодействие, реализованное в недавнем исследовании, для моделирования колебательной динамики молекул. Это возможно, если сопоставить колебательную динамику сложных молекул с распространением фотонов в усовершенствованных фотонных схемах.
Lees verder:
NASA onthulde de oorsprong van Haumea - de meest mysterieuze planeet in het zonnestelsel
Levende organismen hebben Mars onbewoonbaar gemaakt
De lever kan meer dan 100 jaar werken: wetenschappers vertelden hoe dit mogelijk is
На обложке: два фотона, распространяющиеся в волноводе и взаимодействующие с одним квантовым излучателем. В итоге, ученые добились фотон-фотонного взаимодействия, в результате которого возникают корреляции. Предоставлено: Ле Жанник и др.