Кейсы 21 октября 2022

Фотоны заставили «общаться» друг с другом: зачем это нужно и почему заняло 15 лет

Далее

Ученые могут сделать квантовый мир реальностью, однако на их пути есть много препятствий. Одно из них — нежелание фотонов «общаться». «Хайтек» рассказывает о новом методе физиков, который решит проблему и к чему это приведет.

Фотоны — частицы, представляющие собой квант света, уже продемонстрировали большой потенциал для развития квантовых технологий. В частности, физики изучают возможность создания фотонных кубитов (квантовых единиц информации), которые можно передавать на большие расстояния с помощью фотонов. Однако на этом пути есть важное препятствие.

В чем проблема?

Несмотря на многообещающие результаты предварительных экспериментов, необходим научный прорыв, прежде чем фотонные кубиты можно реализовать в больших масштабах. Например, известно, что фотоны могут терять энергию и излучение при перемещении из одной точки в другую и не взаимодействуют друг с другом.

Исследователи из Копенгагенского университета в Дании, Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC в Испании и Рурского университета Бохума в Германии недавно разработали стратегию, которая поможет преодолеть одну из этих проблем, а именно отсутствие фотон-фотонного взаимодействия. Их метод, в конечном итоге, поможет в разработке более сложных квантовых устройств.

Более 15 лет экспериментов

Ученые уже давно работают над детерминированным сопряжением одиночных квантовых излучателей (квантовых точек) с одиночными фотонами — более 15 лет. В итоге, они разработали метод, основанный на нанофотонных волноводах.

Детерминированность объекта можно объяснить с помощью учения о детерминизме (от лат. determinare — «ограничивать, очерчивать, определять»). Согласно ему, все объекты взаимосвязаны, а все явления и процессы взаимно определены.

Обычно эти устройства применяли для детерминированных однофотонных источников и источников многофотонной запутанности. Однако оно пригодилось и для инициирования нелинейных операций с фотонами.

Волновод — искусственный или естественный направляющий канал, в котором может распространяться волна. Поток мощности, который переносится волной, находится именно внутри самого канала. Еще один вариант — он сосредоточен в той области пространства, которая примыкает к каналу. 

Концепцию таких операций впервые показали в 2015 году. Однако при дальнейшем исследовании этого эффекта они столкнулись с трудностями. Они связаны с вопросами фундаментальной физики, которая лежит в основе этого сложного, однофотонного и нелинейного взаимодействия.

В рамках предыдущих исследований ученые обнаружили, что физика, которая «отвечает» за нелинейное взаимодействие импульсов света, пригодилась и для создания фотонных квантовых вентилей и «сортировщиков фотонов».

Так, ученые провели первое экспериментальное исследование нелинейных квантовых импульсов, которые подвергаются нелинейному взаимодействию из-за связи с детерминистически связанным квантовым излучателем.

Что сделали ученые?

В ходе нового эксперимента исследователи использовали эффективную и когерентную связь одиночного квантового излучателя с нанофотонным волноводом. Цель — обеспечить нелинейное квантовое взаимодействие между однофотонными волновыми пакетами.

Волновой пакет — определенная совокупность волн, которая обладает разными частотами. Они описывают обладающую волновыми свойствами формацию, в общем случае ограниченную во времени и пространстве. 

Для этого ученые использовали одну квантовую точку — частицу размером в нанометр, которая ведет себя как двухуровневый атом. Ее встроили в фотонно-кристаллический волновод.

Примечательность таких систем, что связь в них является детерминированной. Даже один фотон, запущенный в волновод, взаимодействует с квантовой точкой. Если отправить импульсы, которые содержат два или более фотона, это вызовет квантовые корреляции. Все потому, что только один фотон за раз может взаимодействовать с квантовой точкой. В итоге, управляя длительностью этого квантового импульса, ученые могут настроить эти корреляции и взаимодействие между фотонами.

Используя свой экспериментальный метод, ученые, по сути, смогли управлять фотоном, используя второй, который опосредован  квантовым излучателем. Другими словами, они успешно реализовали нелинейное фотон-фотонное взаимодействие, заставили частицы «общаться».

К чему это приведет?

В итоге, ученые разработали метод, который позволяет фотонам эффективно взаимодействовать друг с другом посредством связи с квантовыми точками. Это поможет создать новые направления для создания фотон-фотонных квантовых вентилей. Также открытие пригодится для создания детерминированных устройств сортировки фотонов, которые необходимы, например, для квантовых повторителей.

Квантовые повторители позволяют создать запутанность в удаленных узлах без физической отправки запутанного кубита на все расстояние. Проще говоря, они усиливают сигнал, и не дают фотонам затухать.

Новая стратегия имеет важные последствия как для исследований в области квантовой физики, так и для развития квантовых технологий. Например, метод откроет новые возможности для разработки квантово-оптических устройств, а также позволит физикам экспериментировать с адаптированными сложными фотонными квантовыми состояниями.

Что дальше?

Ученые не собираются останавливаться и планируют расширить эксперимент. На фундаментальном уровне они хотят глубже понять, как на квантовые состояния света влияют путешествие через одну квантовую точку. Однако ученые уверены — это квантовое взаимодействие можно применить на практике.

Сейчас физики пытаются использовать нелинейное фотон-фотонное взаимодействие, реализованное в недавнем исследовании, для моделирования колебательной динамики молекул. Это возможно, если сопоставить колебательную динамику сложных молекул с распространением фотонов в усовершенствованных фотонных схемах.

Читать далее:

НАСА раскрыло происхождение Хаумеи — самой загадочной планеты Солнечной системы

Живые организмы сделали Марс непригодным для обитания

Печень может работать более 100 лет: ученые рассказали, как это возможно

На обложке: два фотона, распространяющиеся в волноводе и взаимодействующие с одним квантовым излучателем. В итоге, ученые добились фотон-фотонного взаимодействия, в результате которого возникают корреляции. Предоставлено: Ле Жанник и др.