Fotoner, partiklar som representerar ett kvantum av ljus, har redan visat stor potential för utveckling
Vad är problemet?
Trots lovande resultatpreliminära experiment behövs ett vetenskapligt genombrott innan fotoniska qubits kan implementeras i stor skala. Till exempel är det känt att fotoner kan förlora energi och strålning när de rör sig från en punkt till en annan och inte interagerar med varandra.
Forskare från Köpenhamns universiteti Danmark har Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC i Spanien och Ruhr University Bochum i Tyskland nyligen utvecklat en strategi för att övervinna ett av dessa problem, nämligen avsaknaden av foton-fotoninteraktion. Deras metod kommer i slutändan att hjälpa till i utvecklingen av mer komplexa kvantenheter.
Mer än 15 år av experiment
Forskare har arbetat med deterministiskapara ihop enstaka kvantsändare (kvantpunkter) med enstaka fotoner - mer än 15 år. Som ett resultat utvecklade de en metod baserad på nanofotoniska vågledare.
Ett objekts determinism kan förklarasmed hjälp av läran om determinism (av latinets determinare - "att begränsa, skissera, bestämma"). Enligt honom är alla objekt sammankopplade, och alla fenomen och processer är ömsesidigt bestämda.
Vanligtvis användes dessa enheter fördeterministiska enfotonkällor och källor för multifotonintrassling. Men det var också användbart för att initiera icke-linjära operationer med fotoner.
Vågledare - konstgjord eller naturligen styrkanal i vilken en våg kan fortplanta sig. Kraftflödet som bärs av vågen ligger precis inne i själva kanalen. Ett annat alternativ är att den är koncentrerad till utrymmet som gränsar till kanalen.
Konceptet med sådana operationer visades förstunder 2015. Men de stötte på svårigheter när de undersökte denna effekt ytterligare. De relaterar till frågor om grundläggande fysik som ligger till grund för denna komplexa, enfoton och olinjära interaktion.
I tidigare studier, forskareupptäckte att fysiken som är ansvarig för den olinjära interaktionen av ljuspulser också är användbar för att skapa fotoniska kvantportar och "fotonsorterare".
Således genomförde forskare den första experimentellastudie av olinjära kvantpulser som genomgår olinjära interaktioner på grund av koppling med en deterministiskt kopplad kvantemitter.
Vad har forskarna gjort?
I ett nytt experiment, forskareanvände effektiv och koherent koppling av en enda kvantemitter med en nanofotonisk vågledare. Målet är att möjliggöra icke-linjär kvantinteraktion mellan enfotonvågspaket.
Ett vågpaket är en viss uppsättning vågor,som har olika frekvenser. De beskriver en formation med vågegenskaper, vanligtvis begränsade i tid och rum.
För att göra detta använde forskare en kvantprick - en nanometerstor partikel som beter sig som en tvånivåatom. Den byggdes in i en fotonisk kristallvågledare.
Det anmärkningsvärda med sådana system är att kommunikationen i demär deterministisk. Till och med en foton som skickas in i en vågledare interagerar med en kvantpunkt. Om du skickar pulser som innehåller två eller fler fotoner kommer det att orsaka kvantkorrelationer. Detta beror på att endast en foton åt gången kan interagera med en kvantpunkt. I slutändan, genom att kontrollera varaktigheten av denna kvantpuls, kan forskare ställa in dessa korrelationer och interaktioner mellan fotoner.
Med hjälp av sin experimentella metod, forskareI huvudsak kunde de styra en foton med hjälp av en andra, som förmedlas av en kvantemitter. Med andra ord implementerade de framgångsrikt ickelinjär foton-fotoninteraktion och tvingade partiklar att "kommunicera".
Vart leder det?
Som ett resultat utvecklade forskare en metod somtillåter fotoner att effektivt interagera med varandra genom kommunikation med kvantprickar. Detta kommer att hjälpa till att skapa nya riktningar för att skapa foton-foton kvantportar. Upptäckten kommer också att vara användbar för att skapa deterministiska fotonsorteringsanordningar, som är nödvändiga, till exempel för kvantrepeterare.
Quantum repeaters gör det möjligt att skapaintrassling vid avlägsna noder utan att fysiskt skicka den intrasslade qubiten över hela avståndet. Enkelt uttryckt förstärker de signalen och förhindrar fotoner från att blekna.
Den nya strategin har viktiga konsekvenser för bådaforskning inom området kvantfysik och för utveckling av kvantteknologi. Till exempel kommer metoden att öppna upp nya möjligheter för utveckling av kvantoptiska enheter, och kommer även att tillåta fysiker att experimentera med skräddarsydda komplexa fotoniska kvanttillstånd.
Vad är nästa?
Forskare kommer inte att stanna och planerautöka experimentet. På en grundläggande nivå vill de få en djupare förståelse för hur kvanttillstånd av ljus påverkas av att resa genom en enda kvantprick. Men forskarna är övertygade om att denna kvantinteraktion kan tillämpas i praktiken.
Nu försöker fysiker använda icke-linjärafoton-foton interaktion, implementerad i en nyligen genomförd studie, för att simulera vibrationsdynamiken hos molekyler. Detta är möjligt genom att matcha vibrationsdynamiken hos komplexa molekyler med utbredningen av fotoner i avancerade fotoniska kretsar.
Läs mer:
NASA avslöjade ursprunget till Haumea - den mest mystiska planeten i solsystemet
Levande organismer har gjort Mars obeboelig
Levern kan arbeta i mer än 100 år: forskare berättade hur detta är möjligt
På omslaget:två fotoner som fortplantar sig i en vågledare och interagerar med en enda kvantemitter. Som ett resultat uppnådde forskarna foton-fotoninteraktion, vilket resulterar i korrelationer. Kredit: Le Jeannic et al.