Фотони — частинки, що є квантом світла, вже продемонстрували великий потенціал для розвитку
В чому проблема?
Незважаючи на перспективні результатипопередніх експериментів, необхідний науковий прорив, перш ніж фотонні кубити можна реалізувати у великих масштабах. Наприклад, відомо, що фотони можуть втрачати енергію і випромінювання при переміщенні з однієї точки в іншу і не взаємодіють один з одним.
Дослідники з Копенгагенського університетув Данії, Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC в Іспанії та Руського університету Бохума в Німеччині нещодавно розробили стратегію, яка допоможе подолати одну з цих проблем, а саме відсутність фотон-фотонної взаємодії. Їх метод, в кінцевому підсумку, допоможе в розробці більш складних квантових пристроїв.
Понад 15 років експериментів
Вчені вже давно працюють над детермінованимсполученням одиночних квантових випромінювачів (квантових точок) з одиночними фотонами - більше 15 років. У результаті, вони розробили метод, заснований на нанофотонних хвилеводах.
Детермінованість об'єкта можна пояснитиза допомогою вчення про детермінізм (від лат. determinare — «обмежувати, окреслювати, визначати»). Згідно з ним, всі об'єкти взаємопов'язані, а всі явища і процеси взаємно визначені.
Зазвичай ці пристрої застосовували длядетермінованих однофотонних джерел та джерел багатофотонної заплутаності. Однак воно знадобилося і для ініціювання нелінійних операцій з фотонами.
Хвиляр — штучний чи природнийнапрямний канал, у якому може поширюватися хвиля. Потік потужності, що переноситься хвилею, знаходиться саме всередині каналу. Ще один варіант - він зосереджений у тій області простору, що примикає до каналу. & nbsp;
Концепцію таких операцій уперше показалиу 2015 році. Однак при подальшому дослідженні цього ефекту вони зіткнулися з труднощами. Вони пов'язані з питаннями фундаментальної фізики, яка лежить в основі цієї складної, однофотонної та нелінійної взаємодії.
В рамках попередніх досліджень вченівиявили, що фізика, яка «відповідає» за нелінійну взаємодію імпульсів світла, знадобилася і для створення фотонних квантових вентилів і «сортувальників фотонів».
Так, вчені провели перше експериментальнедослідження нелінійних квантових імпульсів, які піддаються нелінійній взаємодії через зв'язок з детерміністично пов'язаним квантовим випромінювачем.
Що зробили вчені?
У процесі нового експерименту дослідникивикористовували ефективний і когерентний зв'язок одиночного квантового випромінювача з нанофотонним хвилеводом. Мета – забезпечити нелінійну квантову взаємодію між однофотонними хвильовими пакетами.
Хвильовий пакет - певна сукупність хвиль,яка має різні частоти. Вони описують формацію, що володіє хвильовими властивостями, в загальному випадку обмежену в часі і просторі.
Для цього вчені використовували одну квантову точку — частинку розміром в нанометр, яка веде себе як дворівневий атом. Її вбудували в фотоно-кристалічний хвилевід.
Примітність таких систем, що зв'язок у нихє детермінованою. Навіть один фотон, запущений в хвилевод, взаємодіє з квантовою точкою. Якщо відправити імпульси, які містять два або більше фотонів, це викликає квантові кореляції. Все тому, що тільки один фотон раз може взаємодіяти з квантовою точкою. У результаті, керуючи тривалістю цього квантового імпульсу, вчені можуть налаштувати ці кореляції і взаємодія між фотонами.
Використовуючи свій експериментальний метод, вчені,по суті, змогли керувати фотоном, використовуючи другий, який опосередкований квантовим випромінювачем. Іншими словами, вони успішно реалізували нелінійну фотон-фотонну взаємодію, змусили частки «спілкуватися».
До чого це призведе?
У результаті, вчені розробили метод, якийдозволяє фотонам ефективно взаємодіяти один з одним за допомогою зв'язку з квантовими точками. Це допоможе створити нові напрямки для створення фотон-фотонних квантових вентилів. Також відкриття стане в нагоді для створення детермінованих пристроїв сортування фотонів, які необхідні, наприклад, для квантових повторювачів.
Квантові повторювачі дозволяють створитизаплутаність у віддалених вузлах без фізичного відправлення заплутаного кубіту на всю відстань. Простіше кажучи, вони посилюють сигнал і не дають фотонам згасати.
Нова стратегія має важливі наслідки як длядосліджень в області квантової фізики, так і для розвитку квантових технологій. Наприклад, метод відкриє нові можливості для розробки квантово-оптичних пристроїв, а також дозволить фізикам експериментувати з адаптованими складними фотонними квантовими станами.
Що далі?
Вчені не збираються зупинятися та плануютьрозширити експеримент. На фундаментальному рівні вони хочуть глибше зрозуміти, як на квантові стани світла впливають подорож через одну квантову точку. Проте вчені впевнені - це квантову взаємодію можна застосувати на практиці.
Зараз фізики намагаються використати нелінійнефотон-фотонна взаємодія, реалізована в недавньому дослідженні, для моделювання коливальної динаміки молекул. Це можливо, якщо зіставити коливальну динаміку складних молекул з поширенням фотонів в удосконалених фотонних схемах.
Читати далі:
НАСА розкрило походження Хаумеї — найзагадковішої планети Сонячної системи
Живі організми зробили Марс непридатним для проживання.
Печінка може працювати понад 100 років: вчені розповіли, як це можливо
На обкладинці:два фотони, що поширюються в хвилеводі і взаємодіють з одним квантовим випромінювачем. В результаті, вчені домоглися фотон-фотонного взаємодії, в результаті якого виникають кореляції. Надано: Ле Жаннік та ін.