Нов метод за разрешаване на ефективни взаимодействия между фотони


Нов метод за разрешаване на ефективни взаимодействия между фотони

Два фотона, разпространяващи се във вълновод, взаимодействащи с единичен квантов излъчвател. Взаимодействието фотон-фотон, което води до корелации. Кредит: Le Jeannic et al.

Фотоните, частици, които представляват квант на светлината, показват голям потенциал за разработването на нови квантови технологии. По-конкретно, физиците проучват възможността за създаване на фотонни кубити (квантови единици информация), които могат да се предават на големи разстояния с помощта на фотони.

Въпреки някои обещаващи резултати, все още трябва да бъдат преодолени няколко пречки, преди фотонните кубити да могат да бъдат успешно внедрени в голям мащаб. Например, фотони са известни като податливи на загуба на разпространение (т.е. загуба на енергия, радиация или сигнали, докато се движат от една точка до друга) и не взаимодействат помежду си.

Изследователи от Университета на Копенхаген в Дания, Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC в Испания и Ruhr-Universität Bochum в Германия наскоро разработиха стратегия, която може да помогне за преодоляване на едно от тези предизвикателства, а именно липсата на фотон-фотонни взаимодействия. Техният метод, представен в статия, публикувана в Природна физикав крайна сметка може да подпомогне разработването на по-сложни квантови устройства.

„Ние работим върху детерминистичното взаимодействие на единични квантови емитери (квантови точки), за да единични фотони повече от 15 години и са се развили много мощен метод, базиран на нанофотонни вълноводи”, каза Питър Лодал, един от изследователите, извършили изследването, пред Phys.org. „Обикновено прилагахме тези устройства за детерминистични източници с един фотон и източници с многофотонно заплитане, но друго възможно приложение би било да се индуцират нелинейни операции на фотони.”

Лодал и колегите му разбраха първата демонстрация на доказателство за концепцията на нелинейни операции, използващи отделни фотони през 2015 г. Когато те изследваха този ефект по-нататък обаче, те се натъкнаха на трудности при пълното разбиране на фундаментална физика в основата на това сложно, еднофотонно и нелинейно взаимодействие.

„В предишната ни работа открихме, че физиката, управляваща нелинейното взаимодействие на светлинните импулси, е забележително богата и е довела до някои нови възможности за конструиране на фотонни квантови порти и сортировчици на фотони“, каза Лодал. „Проведохме първото експериментално изследване на нелинейни квантови импулси, подложени на нелинейно взаимодействие поради свързването с детерминистично свързан квантов емитер.“

В своя нов експеримент изследователите са използвали ефективното и кохерентно свързване на единичен квантов емитер с нанофотонен вълновод, за да позволят нелинейни квантови взаимодействия между еднофотонни вълнови пакети. За да направят това, те използваха единична квантова точка, частица с размер на nm, която се държи като атом на две нива, която беше вградена във фотонен кристален вълновод.

„В такива системи свързването е детерминистично, така че дори един фотон, пуснат във вълновода, взаимодейства с квантовата точка“, обясни Лодал. “Изпращането на импулси, съдържащи два или повече фотона, индуцира квантови корелации, тъй като само един фотон в даден момент може да взаимодейства с квантовата точка. Чрез контролиране на продължителността на квантовия импулс можем да приспособим тези корелации и взаимодействието между фотоните.”

Използвайки техния експериментален метод, Лодал и колегите му успяха по същество да контролират фотон, използвайки втори фотон, който беше медииран от техния квантов излъчвател. С други думи, те успешно реализираха нелинейно фотон-фотонно взаимодействие.

„Ние разработихме метод, за да накараме фотоните да взаимодействат ефективно един с друг, медииран от свързването към квантови точки“, каза Лодал. “Смятаме, че това може да отвори нови насоки за създаване на фотон-фотонни квантови врати (което е трудната врата във фотонното квантово изчисление) или устройства за детерминистично сортиране на фотони, които са от съществено значение, например за квантови ретранслатори.

Новата стратегия, въведена от този екип от изследователи, може да има важни последици както за изследванията на квантовата физика, така и за развитието на квантовата технология. Например, техният метод може да отвори нови възможности за разработването на квантови оптични устройства, като същевременно позволява на физиците да експериментират с персонализирани сложни фотонни квантови състояния.

„Имаме набор от дейности, които разширяват настоящата работа“, каза Хана Льо Жанник, друг изследовател, участващ в изследването, пред Phys.org. “На фундаментално ниво ние търсим по-задълбочено разбиране как квантовите състояния на светлината се влияят от пътуването през една квантова точка. Но също така вече предвиждаме приложения на това квантово взаимодействие.”

В момента Lodahl, Le Jeannic и техните колеги се опитват да използват нелинейното фотон-фотонно взаимодействие, реализирано в скорошното им проучване, за да симулират вибрационната динамика на молекулите. Това може да се постигне чрез картографиране на вибрационната динамика на сложни молекули върху разпространението на фотони в напреднали фотонни вериги.


Персонализирани единични фотони: Оптичен контрол на фотони като ключ към новите технологии


Повече информация:
Hanna Le Jeannic et al, Динамично фотон-фотонно взаимодействие, медиирано от квантов емитер, Природна физика (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01720-x

Ravitej Uppu et al, базирани на квантови точки детерминистични фотон-емитерни интерфейси за мащабируема фотонна квантова технология, Природни нанотехнологии (2021 г.). DOI: 10.1038/s41565-021-00965-6

A. Javadi et al, Еднофотонна нелинейна оптика с квантова точка във вълновод, Nature Communications (2015). DOI: 10.1038/ncomms9655

© 2022 Science X Network

Цитат: Нов метод за активиране на ефективни взаимодействия между фотони (2022 г., 6 октомври), извлечен на 7 октомври 2022 г. от https://phys.org/news/2022-10-method-enable-efficient-interactions-photons.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяко честно отношение за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието се предоставя само за информационни цели.