Fotony, cząstki reprezentujące kwant światła, wykazały już ogromny potencjał rozwojowy
Jaki jest problem?
Pomimo obiecujących wynikówwstępnych eksperymentów, potrzebny jest przełom naukowy, zanim będzie można wdrożyć kubity fotoniczne na dużą skalę. Wiadomo na przykład, że fotony mogą tracić energię i promieniowanie podczas przemieszczania się z jednego punktu do drugiego i nie oddziałują ze sobą.
Naukowcy z Uniwersytetu w Kopenhadzew Danii, Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC w Hiszpanii i Uniwersytet Ruhr w Bochum w Niemczech opracowały niedawno strategię mającą na celu przezwyciężenie jednego z tych problemów, a mianowicie braku interakcji foton-foton. Ich metoda ostatecznie pomoże w opracowaniu bardziej złożonych urządzeń kwantowych.
Ponad 15 lat eksperymentów
Naukowcy pracowali nad determinizmemłączenie pojedynczych emiterów kwantowych (kropek kwantowych) z pojedynczymi fotonami - ponad 15 lat. W rezultacie opracowano metodę opartą na falowodach nanofotonicznych.
Można wyjaśnić determinizm obiektuza pomocą doktryny determinizmu (od łacińskiego determinare – „ograniczać, zarysowywać, określać”). Według niego wszystkie obiekty są ze sobą powiązane, a wszystkie zjawiska i procesy są wzajemnie zdeterminowane.
Zazwyczaj urządzenia te były używane dodeterministyczne źródła jednofotonowe i źródła splątania wielofotonowego. Jednak przydało się również do inicjowania operacji nieliniowych z fotonami.
Falowód - sztuczny lub naturalnykanał prowadzący, w którym fala może się rozchodzić. Przepływ mocy przenoszony przez falę umiejscowiony jest dokładnie w samym kanale. Inną opcją jest skupienie go na obszarze przestrzeni przylegającej do kanału.
Po raz pierwszy pokazano koncepcję takich operacjiw 2015 roku. Jednak podczas dalszego badania tego efektu napotkali trudności. Dotyczą zagadnień podstawowej fizyki leżących u podstaw tej złożonej, jednofotonowej i nieliniowej interakcji.
W poprzednich badaniach naukowcyodkryli, że fizyka odpowiedzialna za nieliniową interakcję impulsów świetlnych jest również przydatna do tworzenia fotonicznych bramek kwantowych i „sorterów fotonów”.
W ten sposób naukowcy przeprowadzili pierwszy eksperymentbadanie nieliniowych impulsów kwantowych, które podlegają nieliniowym interakcjom w wyniku sprzężenia z deterministycznie sprzężonym emiterem kwantowym.
Co zrobili naukowcy?
W nowym eksperymencie naukowcywykorzystali wydajne i spójne sprzężenie pojedynczego emitera kwantowego z falowodem nanofotonicznym. Celem jest umożliwienie nieliniowej interakcji kwantowej pomiędzy pakietami fal pojedynczych fotonów.
Pakiet falowy to pewien zestaw fal,który ma różne częstotliwości. Opisują formację o właściwościach falowych, generalnie ograniczonych w czasie i przestrzeni.
Aby to zrobić, naukowcy wykorzystali jedną kropkę kwantową – cząstkę wielkości nanometra, która zachowuje się jak atom dwupoziomowy. Został wbudowany w falowód z kryształu fotonicznego.
Niezwykłą rzeczą w takich systemach jest komunikacja w nichjest deterministyczny. Nawet jeden foton wprowadzony do falowodu oddziałuje z kropką kwantową. Jeśli wyślesz impulsy zawierające dwa lub więcej fotonów, spowoduje to korelacje kwantowe. Dzieje się tak dlatego, że tylko jeden foton na raz może oddziaływać z kropką kwantową. Ostatecznie, kontrolując czas trwania tego impulsu kwantowego, naukowcy będą mogli dostroić te korelacje i interakcje między fotonami.
Naukowcy wykorzystują swoją metodę eksperymentalnąZasadniczo byli w stanie kontrolować foton za pomocą drugiego, w którym pośredniczy emiter kwantowy. Innymi słowy, z powodzeniem wdrożyli nieliniową interakcję foton-foton i zmusili cząstki do „komunikacji”.
Dokąd to prowadzi?
W rezultacie naukowcy opracowali metodę, któraumożliwia fotonom efektywną interakcję ze sobą poprzez komunikację z kropkami kwantowymi. Pomoże to w stworzeniu nowych kierunków tworzenia bramek kwantowych fotonowo-fotonowych. Odkrycie przyda się także do stworzenia deterministycznych urządzeń do sortowania fotonów, niezbędnych np. w przypadku powtarzaczy kwantowych.
Repeatery kwantowe umożliwiają tworzeniesplątanie w odległych węzłach bez fizycznego wysyłania splątanego kubitu na całą odległość. Mówiąc najprościej, wzmacniają sygnał i zapobiegają blaknięciu fotonów.
Nowa strategia ma istotne implikacje dla obu stronbadań w dziedzinie fizyki kwantowej i rozwoju technologii kwantowych. Metoda otworzy na przykład nowe możliwości rozwoju kwantowych urządzeń optycznych, a także umożliwi fizykom eksperymentowanie z dostosowanymi złożonymi fotonicznymi stanami kwantowymi.
Co dalej?
Naukowcy nie zamierzają zatrzymywać się i planowaćrozszerzyć eksperyment. Na poziomie podstawowym chcą uzyskać głębsze zrozumienie wpływu podróży przez pojedynczą kropkę kwantową na stany kwantowe światła. Naukowcy są jednak przekonani, że tę interakcję kwantową można zastosować w praktyce.
Teraz fizycy próbują użyć nieliniowościinterakcji foton-foton, wdrożonej w niedawnym badaniu, w celu symulacji dynamiki wibracyjnej cząsteczek. Jest to możliwe poprzez dopasowanie dynamiki wibracyjnej złożonych cząsteczek do propagacji fotonów w zaawansowanych obwodach fotonicznych.
Czytaj więcej:
NASA ujawniła pochodzenie Haumei - najbardziej tajemniczej planety w Układzie Słonecznym
Żywe organizmy sprawiły, że Mars nie nadaje się do zamieszkania
Wątroba może pracować przez ponad 100 lat: naukowcy powiedzieli, jak to możliwe
Na okładce:dwa fotony propagujące w falowodzie i oddziałujące z pojedynczym emiterem kwantowym. W rezultacie naukowcom udało się uzyskać interakcję foton-foton, w wyniku której powstają korelacje. Źródło: Le Jeannic et al.