Fótons, partículas que representam um quantum de luz, já demonstraram grande potencial de desenvolvimento
Qual é o problema?
Apesar dos resultados promissoresexperimentos preliminares, é necessário um avanço científico antes que os qubits fotônicos possam ser implementados em grande escala. Por exemplo, sabe-se que os fótons podem perder energia e radiação ao se moverem de um ponto a outro e não interagirem entre si.
Pesquisadores da Universidade de Copenhaguena Dinamarca, o Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC em Espanha e a Ruhr University Bochum na Alemanha desenvolveram recentemente uma estratégia para ultrapassar um destes problemas, nomeadamente a falta de interacção fotão-fóton. O método deles acabará por ajudar no desenvolvimento de dispositivos quânticos mais complexos.
Mais de 15 anos de experimentos
Os cientistas têm trabalhado em estudos determinísticosemparelhamento de emissores quânticos únicos (pontos quânticos) com fótons únicos - mais de 15 anos. Como resultado, eles desenvolveram um método baseado em guias de onda nanofotônicos.
O determinismo de um objeto pode ser explicadocom a ajuda da doutrina do determinismo (do latim determinare - “limitar, delinear, determinar”). Segundo ele, todos os objetos estão interligados e todos os fenômenos e processos são determinados mutuamente.
Normalmente, esses dispositivos eram usados parafontes determinísticas de fóton único e fontes de emaranhamento multifóton. No entanto, também foi útil para iniciar operações não lineares com fótons.
Guia de ondas - artificial ou naturalum canal guia no qual uma onda pode se propagar. O fluxo de energia transportado pela onda está localizado precisamente dentro do próprio canal. Outra opção é que ele se concentre na área adjacente ao canal.
O conceito de tais operações foi mostrado pela primeira vezem 2015. No entanto, eles encontraram dificuldades ao investigar mais detalhadamente esse efeito. Eles se relacionam com questões de física fundamental que fundamentam essa interação complexa, de fóton único e não linear.
Em estudos anteriores, cientistasdescobriram que a física responsável pela interação não linear dos pulsos de luz também é útil para criar portas quânticas fotônicas e “classificadores de fótons”.
Assim, os cientistas conduziram o primeiro experimentoestudo de pulsos quânticos não lineares que sofrem interações não lineares devido ao acoplamento com um emissor quântico acoplado deterministicamente.
O que os cientistas fizeram?
Em um novo experimento, pesquisadoresutilizou acoplamento eficiente e coerente de um único emissor quântico com um guia de ondas nanofotônico. O objetivo é permitir a interação quântica não linear entre pacotes de ondas de fóton único.
Um pacote de ondas é um certo conjunto de ondas,que tem frequências diferentes. Eles descrevem uma formação com propriedades ondulatórias, geralmente limitadas no tempo e no espaço.
Para fazer isso, os cientistas usaram um ponto quântico – uma partícula do tamanho de um nanômetro que se comporta como um átomo de dois níveis. Foi construído em um guia de ondas de cristal fotônico.
O que é notável em tais sistemas é que a comunicação nelesé determinístico. Até mesmo um fóton lançado em um guia de ondas interage com um ponto quântico. Se você enviar pulsos que contenham dois ou mais fótons, isso causará correlações quânticas. Isso ocorre porque apenas um fóton por vez pode interagir com um ponto quântico. Em última análise, ao controlar a duração deste pulso quântico, os cientistas podem sintonizar estas correlações e interações entre os fótons.
Usando seu método experimental, os cientistasEm essência, eles conseguiram controlar um fóton usando um segundo, que é mediado por um emissor quântico. Em outras palavras, eles implementaram com sucesso a interação não linear fóton-fóton e forçaram as partículas a “se comunicarem”.
Onde isso leva?
Como resultado, os cientistas desenvolveram um método quepermite que os fótons interajam efetivamente entre si por meio da comunicação com pontos quânticos. Isso ajudará a criar novas direções para a criação de portas quânticas fóton-fóton. A descoberta também será útil para a criação de dispositivos determinísticos de classificação de fótons, necessários, por exemplo, para repetidores quânticos.
Os repetidores quânticos tornam possível criaremaranhamento em nós remotos sem enviar fisicamente o qubit emaranhado por toda a distância. Simplificando, eles amplificam o sinal e evitam o desbotamento dos fótons.
A nova estratégia tem implicações importantes tanto parapesquisa no campo da física quântica e para o desenvolvimento de tecnologias quânticas. Por exemplo, o método abrirá novas possibilidades para o desenvolvimento de dispositivos ópticos quânticos e também permitirá que os físicos experimentem estados quânticos fotônicos complexos e personalizados.
O que vem a seguir?
Os cientistas não vão parar e planejarexpandir o experimento. A um nível fundamental, eles querem obter uma compreensão mais profunda de como os estados quânticos da luz são afetados ao viajar através de um único ponto quântico. No entanto, os cientistas estão confiantes de que esta interação quântica pode ser aplicada na prática.
Agora os físicos estão tentando usar métodos não linearesinteração fóton-fóton, implementada em um estudo recente, para simular a dinâmica vibracional de moléculas. Isto é possível combinando a dinâmica vibracional de moléculas complexas com a propagação de fótons em circuitos fotônicos avançados.
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Na capa:dois fótons se propagando em um guia de ondas e interagindo com um único emissor quântico. Como resultado, os cientistas alcançaram a interação fóton-fóton, o que resulta em correlações.Crédito: Le Jeannic et al.