Исследователи из Швейцарии и Германии разработали квантовый фотонный вентиль, способный производить и контролировать отдельные фотоны, а также группы фотонов. Это устройство является значительным прорывом в области квантовых технологий и может сыграть ключевую роль в создании оптических квантовых компьютеров.
Для реализации такого устройства учёным пришлось создать особую среду, которая позволяет управлять взаимодействием фотонов. Одним из методов, найденных для этого, является использование «одномерного атома», который излучает фотоны, исходя из определённых квантовых состояний.
Команда под руководством Ричарда Уорбертона из Базельского университета сконструировала такой фотонный вентиль, используя квантовую точку — нанометровый объект, чьи оптические и электронные свойства регулируются квантовой механикой.
Устройство включает в себя квантовую точку, расположенную между двумя отражающими стенками оптической полости. Через верхнюю часть этой полости покающий лазерный свет, состоящий из одного или нескольких фотонов, достигает квантовой точки. Квантовая точка поглощает эти фотоны, если энергия фотонов соответствует её энергетическим уровням.
Если входящий световой поток состоит из нескольких фотонов, взаимодействие с квантовой точкой изменяет его поляризацию. С помощью поляризационного фильтра, установленного на вершине точки, отражённые одиночные фотоны направляются в один порт (порт 1), а многопоточные состояния идут в другой порт (порт 2).
Таким образом, поступающий поток делится на однофотонные и многофотонные состояния. Источник с различными состояниями фотонов преобразуется в один поток, что может быть полезно в квантовых технологиях и оптических компьютерных схемах. Устройство таким образом работает как зеркало для одиночных фотонов.
В ходе своего эксперимента исследовательская группа установила, что 99,2% входящего потока разделяется на многопотонные состояния, оставляя чистые одиночные фотоны, что свидетельствует о высокой эффективности их устройства. Измерение корреляционной функции второго порядка — метрика нелинейности — достигло значения 587.
Это рекордное значение в 29 раз превышает результаты предыдущих экспериментов. Конфигурация оптической полости позволяет точно настраивать и управлять прошедшим светом, перемещая квантовую точку без изменения внешних условий установки.
Такое смещение влияет на взаимодействие между точкой и полостью, способствуя изменению группировки фотонов. «Квантовая точка проявляет различные свойства в зависимости от числа фотонов, что приводит к передаче только многопотонных состояний», — поясняют учёные. Различение числа фотонов позволяет взаимодействовать с ними на уровне отдельных частиц.
Эти результаты могут способствовать созданию связанных состояний фотонов, где два или больше фотонов остаются близко друг к другу. Обычно фотоны не взаимодействуют между собой, что полезно для оптоволоконных коммуникаций. Однако для классической и квантовой обработки информации желательны фотонные взаимодействия, что требует сильно нелинейной среды, подобной разработанной в этом исследовании.
Такие нелинейные фотонные процессы уже применяются, например, для преобразования частот, усиления света и его считывания. Другие экзотические состояния фотонов, генерируемые этим устройством, могут быть использованы для изучения различных физических явлений в контролируемой обстановке.
Источник: iXBT
