Fotoner, partikler som representerer et kvantum av lys, har allerede vist stort potensial for utvikling
Hva er problemet?
Til tross for lovende resultaterforeløpige eksperimenter, er det nødvendig med et vitenskapelig gjennombrudd før fotoniske qubits kan implementeres i stor skala. For eksempel er det kjent at fotoner kan miste energi og stråling når de beveger seg fra ett punkt til et annet og ikke samhandler med hverandre.
Forskere fra Københavns Universiteti Danmark har Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC i Spania og Ruhr University Bochum i Tyskland nylig utviklet en strategi for å overvinne ett av disse problemene, nemlig mangelen på foton-foton-interaksjon. Metoden deres vil til slutt hjelpe i utviklingen av mer komplekse kvanteenheter.
Mer enn 15 år med eksperimenter
Forskere har jobbet med deterministiskeparing av enkeltkvantemittere (kvanteprikker) med enkeltfotoner - mer enn 15 år. Som et resultat utviklet de en metode basert på nanofotoniske bølgeledere.
Determinismen til et objekt kan forklaresved hjelp av læren om determinisme (fra latin determinare - "å begrense, skissere, bestemme"). Ifølge ham henger alle objekter sammen, og alle fenomener og prosesser er gjensidig bestemt.
Vanligvis ble disse enhetene brukt tildeterministiske enkeltfotonkilder og kilder til multifotonsammenfiltring. Imidlertid var det også nyttig for å starte ikke-lineære operasjoner med fotoner.
Bølgeleder - kunstig eller naturligen ledekanal der en bølge kan forplante seg. Kraftstrømmen som bæres av bølgen er plassert nøyaktig inne i selve kanalen. Et annet alternativ er at det er konsentrert i området ved siden av kanalen.
Konseptet med slike operasjoner ble først visti 2015. De møtte imidlertid vansker når de undersøkte denne effekten videre. De forholder seg til spørsmål om grunnleggende fysikk som ligger til grunn for denne komplekse, enkeltfoton og ikke-lineære interaksjonen.
I tidligere studier, forskereoppdaget at fysikken som er ansvarlig for den ikke-lineære interaksjonen av lyspulser også er nyttig for å lage fotoniske kvanteporter og "fotonsorterere."
Dermed utførte forskere den første eksperimentellestudie av ikke-lineære kvantepulser som gjennomgår ikke-lineære interaksjoner på grunn av kobling med en deterministisk koblet kvanteemitter.
Hva har forskerne gjort?
I et nytt eksperiment, forskerebrukt effektiv og sammenhengende kobling av en enkelt kvanteemitter med en nanofotonisk bølgeleder. Målet er å muliggjøre ikke-lineær kvanteinteraksjon mellom enkeltfotonbølgepakker.
En bølgepakke er et bestemt sett med bølger,som har forskjellige frekvenser. De beskriver en formasjon med bølgeegenskaper, generelt begrenset i tid og rom.
For å gjøre dette brukte forskerne en kvanteprikk - en nanometerstor partikkel som oppfører seg som et to-nivå atom. Den ble bygget inn i en fotonisk krystallbølgeleder.
Det bemerkelsesverdige med slike systemer er at kommunikasjonen i demer deterministisk. Til og med ett foton som sendes inn i en bølgeleder samhandler med en kvanteprikk. Hvis du sender pulser som inneholder to eller flere fotoner, vil det forårsake kvantekorrelasjoner. Dette er fordi bare ett foton om gangen kan samhandle med et kvantepunkt. Til syvende og sist, ved å kontrollere varigheten av denne kvantepulsen, kan forskere justere disse korrelasjonene og interaksjonene mellom fotoner.
Ved å bruke deres eksperimentelle metode, forskereI hovedsak var de i stand til å kontrollere et foton ved å bruke et andre, som formidles av en kvanteemitter. Med andre ord implementerte de ikke-lineær foton-foton-interaksjon og tvang partikler til å "kommunisere".
Hvor fører det hen?
Som et resultat utviklet forskere en metode somlar fotoner effektivt samhandle med hverandre gjennom kommunikasjon med kvanteprikker. Dette vil bidra til å skape nye retninger for å lage foton-foton kvanteporter. Oppdagelsen vil også være nyttig for å lage deterministiske fotonsorteringsenheter, som er nødvendige for eksempel for kvanterepeatere.
Quantum repeaters gjør det mulig å lagesammenfiltring ved eksterne noder uten fysisk å sende den sammenfiltrede qubiten over hele avstanden. Enkelt sagt forsterker de signalet og forhindrer at fotoner falmer.
Den nye strategien har viktige implikasjoner for beggeforskning innen kvantefysikk og for utvikling av kvanteteknologier. Metoden vil for eksempel åpne for nye muligheter for utvikling av kvanteoptiske enheter, og vil også la fysikere eksperimentere med skreddersydde komplekse fotoniske kvantetilstander.
Hva er neste?
Forskere kommer ikke til å stoppe og planleggeutvide eksperimentet. På et grunnleggende nivå ønsker de å få en dypere forståelse av hvordan kvantetilstander av lys påvirkes av å reise gjennom en enkelt kvanteprikk. Forskere er imidlertid sikre på at denne kvanteinteraksjonen kan brukes i praksis.
Nå prøver fysikere å bruke ikke-lineærfoton-foton interaksjon, implementert i en fersk studie, for å simulere vibrasjonsdynamikken til molekyler. Dette er mulig ved å matche vibrasjonsdynamikken til komplekse molekyler med forplantningen av fotoner i avanserte fotoniske kretsløp.
Les mer:
NASA avslørte opprinnelsen til Haumea - den mest mystiske planeten i solsystemet
Levende organismer har gjort Mars ubeboelig
Leveren kan fungere i mer enn 100 år: forskere fortalte hvordan dette er mulig
På forsiden:to fotoner som forplanter seg i en bølgeleder og interagerer med en enkelt kvanteemitter. Som et resultat oppnådde forskerne foton-foton-interaksjon, som resulterer i korrelasjoner. Kreditt: Le Jeannic et al.