Лазерный мир

Физики-теоретики из Притцкеровской школы молекулярной инженерии при Чикагском университете разработали новую схему улавливания одиночных фотонов в полости. Их механизм позволяет двум источникам излучать выбранное количество фотонов в полость, прежде чем деструктивная интерференция погасит оба источника, по сути, создавая «стену», которая препятствует проникновению дальнейших фотонов.

Созданный механизм обеспечит более простой способ создания квантового света без использования сложных материалов и систем, без которых обычно не обойтись.

Фотоны являются основой для многих квантовых технологий — в частности, для квантовых коммуникаций и квантовых компьютеров. Дело в том, что эти частицы могут быть запутаны или помещены в суперпозицию.

Но чтобы создать эти состояния, исследователи должны работать с крайне неклассическими видами света, которые имеют небольшое количество фотонов или даже всего один фотон. Это может быть трудной задачей, требующей сложной установки, поскольку типичные источники света (например, лазер) генерируют состояния, в которых всегда существует некоторая вероятность наличия большого числа фотонов.

Типичные системы для улавливания одиночных фотонов в полости включают использование материалов с чрезвычайно большой оптической нелинейностью, что заставляет фотоны в полости сильно взаимодействовать друг с другом. В таких системах резонансная частота полости может быть сильно сдвинута при добавлении даже одного фотона. Если посветить лазером на полость, то один фотон может войти, а второй не сможет из-за сдвига частоты, вызванного первым фотоном.

Проблема этого механизма заключается в том, что он требует чрезвычайно большой оптической нелинейности и очень низкого рассеяния, а этого сочетания крайне трудно или даже невозможно достичь.

Система, предложенная исследовательской группой, использует два различных источника для одновременного излучения фотонов в полость, которая обладает чрезвычайно слабой нелинейностью (слишком слабой для работы «традиционных» подходов). При тщательной настройке эти источники гасят друг друга с помощью деструктивной интерференции, создавая «стену», которая блокирует фотоны, как только нужное количество фотонов попадает в полость.

Потенциальные возможности такого применения очень широки. Использование деструктивной интерференции таким образом означает, что в системе не нужно использовать специальные оптически нелинейные материалы, что открывает возможности для нескольких различных платформ, в том числе в качестве инструмента для квантового моделирования.

Базовый механизм также может быть применен ко всем видам электромагнитного излучения, а не только к видимому свету. Одна из возможностей — использовать его для генерации и управления фотонами микроволновой частоты в сверхпроводящей цепи. Это могло бы открыть новые возможности для хранения и обработки квантовой информации.

Учёные даже рассматривают эту систему как потенциальный способ запутывания фотонов — явления, когда наблюдение за одним фотоном автоматически дает информацию о фотоне, с которым он запутан, независимо от того, как далеко они находятся друг от друга. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Алена Ядвичук

Источник: https://www.popmech.ru/science/news-782633-uchyonye-nauchilis-lovit-odinochnye-fotony/