Fotonii, particule care reprezintă un cuantum de lumină, au demonstrat deja un mare potențial de dezvoltare
Care este problema?
În ciuda rezultatelor promițătoareexperimente preliminare, este nevoie de o descoperire științifică înainte ca qubiții fotonici să poată fi implementați la scară largă. De exemplu, se știe că fotonii pot pierde energie și radiații atunci când se deplasează dintr-un punct în altul și nu interacționează între ei.
Cercetători de la Universitatea din Copenhagaîn Danemarca, Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC din Spania și Universitatea Ruhr Bochum din Germania au dezvoltat recent o strategie pentru a depăși una dintre aceste probleme și anume lipsa interacțiunii foton-foton. Metoda lor va ajuta în cele din urmă la dezvoltarea unor dispozitive cuantice mai complexe.
Peste 15 ani de experimente
Oamenii de știință au lucrat la deterministîmperecherea emițătorilor cuantici unici (puncte cuantice) cu fotoni unici - mai mult de 15 ani. Drept urmare, au dezvoltat o metodă bazată pe ghiduri de undă nanofotonice.
Determinismul unui obiect poate fi explicatcu ajutorul doctrinei determinismului (din latinescul determinare - „a limita, contura, determina”). Potrivit lui, toate obiectele sunt interconectate, iar toate fenomenele și procesele sunt determinate reciproc.
De obicei, aceste dispozitive au fost folosite pentrusurse deterministe cu un singur foton și surse de încurcare multifotonică. Cu toate acestea, a fost util și pentru inițierea operațiunilor neliniare cu fotoni.
Ghid de undă - artificial sau naturalun canal de ghidare în care se poate propaga o undă. Fluxul de putere care este transportat de undă este situat exact în interiorul canalului însuși. O altă opțiune este aceea că este concentrat în zona spațiului adiacent canalului.
Conceptul de astfel de operațiuni a fost prezentat pentru prima datăîn 2015. Cu toate acestea, au întâmpinat dificultăți atunci când au investigat în continuare acest efect. Ele se referă la întrebări de fizică fundamentală care stau la baza acestei interacțiuni complexe, cu un singur foton și neliniară.
În studiile anterioare, oamenii de științăa descoperit că fizica care este responsabilă pentru interacțiunea neliniară a impulsurilor de lumină este, de asemenea, utilă pentru crearea de porți cuantice fotonice și „sortare de fotoni”.
Astfel, oamenii de știință au efectuat primul experimentstudiul impulsurilor cuantice neliniare care suferă interacțiuni neliniare datorită cuplării cu un emițător cuantic cuplat determinist.
Ce au făcut oamenii de știință?
Într-un nou experiment, cercetătoriia folosit cuplarea eficientă și coerentă a unui singur emițător cuantic cu un ghid de undă nanofotonic. Scopul este de a permite interacțiunea cuantică neliniară între pachetele de unde cu un singur foton.
Un pachet de valuri este un anumit set de valuri,care are frecvente diferite. Ele descriu o formațiune cu proprietăți de undă, în general limitate în timp și spațiu.
Pentru a face acest lucru, oamenii de știință au folosit un punct cuantic - o particulă de dimensiuni nanometrice care se comportă ca un atom cu două niveluri. A fost construit într-un ghid de undă cu cristal fotonic.
Lucrul remarcabil la astfel de sisteme este că comunicarea în eleeste deterministă. Chiar și un foton lansat într-un ghid de undă interacționează cu un punct cuantic. Dacă trimiteți impulsuri care conțin doi sau mai mulți fotoni, va provoca corelații cuantice. Acest lucru se datorează faptului că doar un foton la un moment dat poate interacționa cu un punct cuantic. În cele din urmă, controlând durata acestui impuls cuantic, oamenii de știință pot regla aceste corelații și interacțiuni între fotoni.
Folosind metoda lor experimentală, oameni de științăÎn esență, au putut controla un foton folosind un al doilea, care este mediat de un emițător cuantic. Cu alte cuvinte, au implementat cu succes interacțiunea foton-foton neliniară și au forțat particulele să „comunice”.
Unde duce?
Drept urmare, oamenii de știință au dezvoltat o metodă carepermite fotonilor să interacționeze eficient între ei prin comunicarea cu puncte cuantice. Acest lucru va ajuta la crearea de noi direcții pentru crearea porților cuantice fotoni-fotoni. Descoperirea va fi utilă și pentru crearea dispozitivelor de sortare deterministe a fotonilor, care sunt necesare, de exemplu, pentru repetoarele cuantice.
Repetoarele cuantice fac posibilă creareaîncurcarea la nodurile la distanță fără a trimite fizic qubitul încurcat pe întreaga distanță. Mai simplu spus, ele amplifică semnalul și împiedică estomparea fotonilor.
Noua strategie are implicații importante pentru ambelecercetare în domeniul fizicii cuantice și pentru dezvoltarea tehnologiilor cuantice. De exemplu, metoda va deschide noi posibilități pentru dezvoltarea dispozitivelor optice cuantice și, de asemenea, va permite fizicienilor să experimenteze cu stări cuantice fotonice complexe adaptate.
Ce urmează?
Oamenii de știință nu se vor opri și planificăextinde experimentul. La un nivel fundamental, ei doresc să obțină o înțelegere mai profundă a modului în care stările cuantice ale luminii sunt afectate de călătoria printr-un singur punct cuantic. Cu toate acestea, oamenii de știință sunt încrezători că această interacțiune cuantică poate fi aplicată în practică.
Acum, fizicienii încearcă să folosească neliniarinteracțiunea foton-foton, implementată într-un studiu recent, pentru a simula dinamica vibrațională a moleculelor. Acest lucru este posibil prin potrivirea dinamicii vibraționale a moleculelor complexe cu propagarea fotonilor în circuite fotonice avansate.
Citeste mai mult:
NASA a dezvăluit originea Haumea - cea mai misterioasă planetă din sistemul solar
Organismele vii au făcut Marte nelocuitor
Ficatul poate funcționa mai mult de 100 de ani: oamenii de știință au spus cum este posibil acest lucru
Pe coperta:doi fotoni care se propagă într-un ghid de undă și interacționează cu un singur emițător cuantic. Ca urmare, oamenii de știință au obținut o interacțiune foton-foton, care are ca rezultat corelații. Credit: Le Jeannic et al.