Для создания квантовых технологий на основе света ученым и инженерам нужна возможность генерировать и манипулировать фотонами по отдельности или несколькими одновременно. Для создания таких квантовых фотонных логических вентилей, которые могут использоваться в оптическом квантовом компьютере, требуется специальная среда, которая допускает сильные и контролируемые взаимодействия всего нескольких фотонов.
Один из способов сделать это, хотя и сложный, — использовать «одномерный атом», устройство, которое испускает фотоны на основе ввода определенных фотонных состояний — одиночных фотонов , пар фотонов , троек фотонов и т. д. Короче говоря, фотонный фильтр.
Создание одномерного атома — его одномерность является линией, по которой приходит входящий фотон — нелегко. Он должен взаимодействовать с входящим фотоном по существу 100% времени, быть свободным от шума и быть свободным от декогеренции, когда одномерный атом нарушается фотоном и локальным окружением атома.
Использовались ансамбли атомов, которые вместе действуют как суператом или излучатель в волноводе. Другая возможность предоставляется квантовой электродинамикой полости — один излучатель, встроенный в микрополость. Встроенным излучателем могут быть атомы, ионы, молекулы или квантовые точки, которые ведут себя как атомы.
Группа исследователей из Швейцарии и Германии под руководством Ричарда Уорбертона из Базельского университета создала такой фотонный вентиль с использованием квантовой точки. Результаты их исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Изготовленные из полупроводниковых нанокристаллов, квантовые точки представляют собой объекты нанометрового размера, оптические и электронные свойства которых регулируются правилами квантовой механики. Эта конкретная квантовая точка имела ширину 20 нанометров и была встроена между двумя отражающими стенками оптической полости, фактически создавая одномерный атом, и размещена на устройстве, которое позволяет контролировать и изменять длину полости.
Слабый лазерный свет, состоящий из фотонных состояний, которые являются одним фотоном или несколькими фотонами, входит в полость сверху и сталкивается с квантовой точкой. Квантовая точка поглощает его, если точка имеет разницу в уровнях энергии, которая соответствует энергии фотона. В этом случае точка затем испускает фотон этой энергии, который отражается обратно сверху.
Но если входящее фотонное состояние сверху состоит из двух или более фотонов, взаимодействие этого состояния с квантовой точкой изменяется, и поляризация (направление ее электрического поля) исходящего состояния изменяется. С поляризационным фильтром (« делителем луча »), размещенным на вершине точки, отраженные одиночные испущенные фотоны проходят в одном направлении (порт 1), а отраженные многофотонные состояния отражаются в другом направлении (порт 2).
Таким образом, входящий луч разделяется на однофотонные и многофотонные состояния. Источник, состоящий из нескольких различных фотонных состояний, приводит к однофотонному лучу, который может использоваться в квантовых технологиях, оптических компьютерных схемах или для других приложений. Устройство действует как зеркало для одиночных фотонов.
В своем эксперименте группа обнаружила, что 99,2% входящего пучка были разделены на многофотонные состояния, оставив чистые одиночные фотоны, что показывает высокую эффективность взаимодействия квантовой точки с оптической полостью. Измерение так называемой корреляционной функции второго порядка — меры группировки фотонов, которая является мерой нелинейности — дало значение 587.
Исследователи пишут: «Насколько нам известно, это самая крупная группировка фотонов из-за нелинейности, наблюдавшаяся на сегодняшний день». Предыдущее лучшее значение из других экспериментальных установок составляло 20.
Конфигурация полости позволяет настраивать и манипулировать прошедшим светом, перемещая квантовую точку относительно оптической полости без внешних изменений в установке. Это изменяет связь между точкой и полостью; сильная группировка прошедших фотонов фактически может быть изменена на антигруппировку.
«Квантовая точка ведет себя совершенно по-разному в зависимости от количества фотонов», — пишут они. «Это приводит к огромной группировке, поскольку передаются только многофотонные состояния».
Различение наблюдаемых чисел фотонов позволяет взаимодействовать на уровне отдельных фотонов. Эти результаты могут привести к полезному созданию связанных фотонных состояний, в которых два или более фотонов удерживаются близко друг к другу. Фотоны обычно не взаимодействуют друг с другом, что является полезным свойством для оптоволоконной связи. Однако для некоторых приложений, таких как классическая и квантовая обработка информации , желательно взаимодействие между фотонами, но для этого требуется очень нелинейная среда, подобная той, что разработана здесь.
Такие нелинейные фотонные процессы уже используются в таких приложениях, как преобразование частоты фотонов, усиление света и считывание света. Другие экзотические фотонные состояния, генерируемые этим устройством, могут оказаться полезными для понимания многих явлений тела в контролируемой обстановке.
