En ny metode for å muliggjøre effektive interaksjoner mellom fotoner

Fotoner, partikler som representerer et kvante av lys, har vist stort potensial for utvikling av nye kvanteteknologier. Mer spesifikt har fysikere undersøkt muligheten for å lage fotoniske qubits (kvanteenheter med informasjon) som kan overføres over lange avstander ved hjelp av fotoner.

Til tross for noen lovende resultater, må flere hindringer fortsatt overvinnes før fotoniske qubits kan implementeres med hell i stor skala. For eksempel, fotoner er kjent for å være utsatt for utbredelsestap (dvs. tap av energi, stråling eller signaler når den beveger seg fra ett punkt til et annet) og samhandler ikke med hverandre.

Forskere ved Københavns Universitet i Danmark, Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC i Spania og Ruhr-Universität Bochum i Tyskland har nylig utviklet en strategi som kan bidra til å overvinne en av disse utfordringene, nemlig mangelen på foton-foton-interaksjoner. Metoden deres, presentert i en artikkel publisert i Naturfysikkkan til slutt hjelpe utviklingen av mer sofistikerte kvanteenheter.

“Vi har jobbet med deterministisk grensesnitt mellom enkeltkvantemittere (kvanteprikker) til enkeltfotoner i over 15 år og har utviklet seg en veldig kraftig metode basert på nanofotoniske bølgeledere,” sa Peter Lodahl, en av forskerne som utførte studien, til Phys.org. “Vi brukte generelt disse enhetene for deterministiske enkeltfotonkilder og multifotonforviklingskilder, men en annen mulig anvendelse ville være å indusere ikke-lineære operasjoner på fotoner.”

Det skjønte Lodahl og kollegene den første proof-of-concept-demonstrasjonen av ikke-lineære operasjoner med individuelle fotoner tilbake i 2015. Da de undersøkte denne effekten videre, møtte de imidlertid vanskeligheter med å forstå grunnleggende fysikk som ligger til grunn for denne komplekse, enkeltfoton og ikke-lineære interaksjonen.

“I vårt tidligere arbeid fant vi ut at fysikken som styrer den ikke-lineære interaksjonen av lyspulser var bemerkelsesverdig rik og ga opphav til noen nye muligheter for å konstruere fotoniske kvanteporter og fotonsorterere,” sa Lodahl. “Vi har utført den første eksperimentelle studien av ikke-lineære kvantepulser som gjennomgår ikke-lineær interaksjon på grunn av koblingen med en deterministisk koblet kvanteemitter.”

I deres nye eksperiment brukte forskerne den effektive og sammenhengende koblingen av en enkelt kvanteemitter med en nanofotonisk bølgeleder for å muliggjøre ikke-lineære kvanteinteraksjoner mellom enkeltfotonbølgepakker. For å gjøre dette brukte de en enkelt kvanteprikk, en partikkel på størrelse med nm som oppfører seg som et to-nivå atom, som var innebygd i en fotonisk krystallbølgeleder.

“I slike systemer er koblingen deterministisk, slik at selv ett foton som sendes inn i bølgelederen samhandler med kvanteprikken,” forklarte Lodahl. “Å sende inn pulser som inneholder to eller flere fotoner induserer kvantekorrelasjoner siden bare ett foton om gangen kan samhandle med kvanteprikken. Ved å kontrollere kvantepulsens varighet kan vi skreddersy disse korrelasjonene, og samspillet mellom fotonene.”

Ved å bruke deres eksperimentelle metode var Lodahl og hans kolleger i hovedsak i stand til å kontrollere et foton ved å bruke et andre foton, som ble formidlet av deres kvantesender. Med andre ord realiserte de en ikke-lineær foton-foton-interaksjon.

“Vi utviklet en metode for å få fotoner til å samhandle effektivt med hverandre formidlet av koblingen til kvanteprikker,” sa Lodahl. “Vi tror dette kan åpne nye retninger for å lage foton-foton kvanteporter (som er den vanskelige porten i fotonisk kvanteberegning) eller deterministiske fotonsorteringsenheter som er essensielle, for eksempel for kvanterepeatere.”

Den nye strategien introdusert av dette teamet av forskere kan ha viktige implikasjoner for både kvantefysisk forskning og utviklingen av kvanteteknologi. Metoden deres kan for eksempel åpne nye muligheter for utvikling av kvanteoptiske enheter, samtidig som fysikere kan eksperimentere med skreddersydde komplekse fotoniske kvantetilstander.

“Vi har en rekke aktiviteter som utvider det nåværende arbeidet,” sa Hanna Le Jeannic, en annen forsker involvert i studien, til Phys.org. “På et grunnleggende nivå ser vi på å forstå dypere hvordan kvantetilstander av lys påvirkes av å reise gjennom en enkelt kvanteprikk. Men vi forutser også allerede anvendelser av denne kvanteinteraksjonen.”

For øyeblikket prøver Lodahl, Le Jeannic og deres kolleger å utnytte den ikke-lineære foton-foton-interaksjonen realisert i deres nylige studie for å simulere vibrasjonsdynamikken til molekyler. Dette kan oppnås ved å kartlegge vibrasjonsdynamikken til komplekse molekyler på forplantningen av fotoner i avanserte fotoniske kretser.

---

---

© 2022 Science X Network