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.