Новый метод обеспечения эффективного взаимодействия между фотонами

 

Фотоны, частицы, представляющие собой квант света, продемонстрировали большой потенциал для развития новых квантовых технологий. Более конкретно, физики изучают возможность создания фотонных кубитов (квантовых единиц информации), которые могут передаваться на большие расстояния с помощью фотонов.

Несмотря на некоторые многообещающие результаты, все еще необходимо преодолеть несколько препятствий, прежде чем фотонные кубиты смогут быть успешно реализованы в крупном масштабе. Например, известно, что фотоны подвержены потерям при распространении (т.Е. потере энергии, излучения или сигналов при перемещении из одной точки в другую) и не взаимодействуют друг с другом.

 

Исследователи из Копенгагенского университета в Дании, Института фундаментальной физики IFF-CSIC в Испании и Рурского университета в Бохуме в Германии недавно разработали стратегию, которая могла бы помочь преодолеть одну из этих проблем, а именно отсутствие межфотонных взаимодействий. Их метод, представленный в статье, опубликованной в журнале Nature Physics, в конечном итоге может помочь в разработке более сложных квантовых устройств.

"Мы работаем над детерминированным взаимодействием одиночных квантовых излучателей (квантовых точек) с одиночными фотонами более 15 лет и разработали очень мощный метод, основанный на нанофотонных волноводах", - сказал Питер Лодал, один из исследователей, проводивших исследование. Phys.org . "Обычно мы применяли эти устройства для детерминированных однофотонных источников и многофотонных источников запутывания, но другим возможным применением было бы индуцирование нелинейных операций с фотонами".

Лодал и его коллеги осуществили первую демонстрацию концепции нелинейных операций с использованием отдельных фотонов еще в 2015 году. Однако, когда они исследовали этот эффект дальше, они столкнулись с трудностями в тщательном понимании фундаментальной физики, лежащей в основе этого сложного однофотонного и нелинейного взаимодействия.

"В нашей предыдущей работе мы обнаружили, что физика, управляющая нелинейным взаимодействием импульсов света, была удивительно богатой и породила некоторые новые возможности для построения фотонных квантовых вентилей и сортировщиков фотонов", - сказал Лодал. "Мы провели первое экспериментальное исследование нелинейных квантовых импульсов, подвергающихся нелинейному взаимодействию из-за связи с детерминированно связанным квантовым излучателем".

В своем новом эксперименте исследователи использовали эффективную и когерентную связь одиночного квантового излучателя с нанофотонным волноводом для обеспечения нелинейных квантовых взаимодействий между однофотонными волновыми пакетами. Для этого они использовали единственную квантовую точку, частицу размером в нанометр, которая ведет себя как двухуровневый атом, который был встроен в фотонно-кристаллический волновод.

"В таких системах связь детерминирована, так что даже один фотон, запущенный в волновод, взаимодействует с квантовой точкой", - объяснил Лодал. "Отправка импульсов, содержащих два или более фотона, вызывает квантовые корреляции, поскольку только один фотон за раз может взаимодействовать с квантовой точкой. Управляя длительностью квантового импульса, мы можем адаптировать эти корреляции и взаимодействие между фотонами".

Используя свой экспериментальный метод, Лодал и его коллеги, по существу, смогли управлять фотоном с помощью второго фотона, который был опосредован их квантовым излучателем. Другими словами, они успешно реализовали нелинейное фотон-фотонное взаимодействие.

"Мы разработали метод, позволяющий фотонам эффективно взаимодействовать друг с другом при посредничестве связи с квантовыми точками", - сказал Лодал. "Мы думаем, что это может открыть новые направления для создания фотон-фотонных квантовых вентилей (которые являются сложными вентилями в фотонных квантовых вычислениях) или детерминированных устройств сортировки фотонов, которые необходимы, например, для квантовых ретрансляторов".

Новая стратегия, представленная этой командой исследователей, может иметь важные последствия как для исследований в области квантовой физики, так и для развития квантовых технологий. Например, их метод может открыть новые возможности для разработки квантово-оптических устройств, а также позволить физикам экспериментировать со специально подобранными сложными фотонными квантовыми состояниями.

"У нас есть целый ряд мероприятий, которые расширяют нынешнюю работу", - сказала Ханна Ле Жанник, другой исследователь, участвовавший в исследовании. Phys.org . "На фундаментальном уровне мы стремимся к более глубокому пониманию того, как квантовые состояния света влияют на прохождение через одну квантовую точку. Но мы также уже предвидим применение этого квантового взаимодействия".

В настоящий момент Лодал, Ле Жанник и их коллеги пытаются использовать нелинейное фотон-фотонное взаимодействие, реализованное в их недавнем исследовании, для моделирования колебательной динамики молекул. Этого можно было бы достичь, сопоставив колебательную динамику сложных молекул с распространением фотонов в продвинутых фотонных схемах.

Категория: Наука и Техника | Добавил: fantast (07.10.2022)
Просмотров: 34 | Рейтинг: 0.0/0