Kontrol af fotoner med en foton

Fotoner anses for at være ideelle informationsbærere og forventes at spille vigtige roller i kvantekommunikation og informationsbehandling, hvor kvantemekanik giver mulighed for absolut sikker kryptografisk nøgledistribution samt beregning meget hurtigere end konventionelle computere. For at drage fuld fordel af kvanteinformation, der transporteres af fotoner, det er vigtigt at få dem til at interagere direkte med hinanden til informationsbehandling.

Imidlertid, fotoner interagerer generelt ikke med hinanden. Så det er nødvendigt at formidle sådanne interaktioner med stof for at realisere effektiv foton-foton interaktion, men lys-stof-interaktion er normalt ekstremt svag i normale medier.

Haruka Tanji-Suzuki og kolleger på Institute for Laser Science, universitetet for elektrokommunikation, Tokyo, arbejder i øjeblikket på at udvikle alle optiske kvanteenheder, der er følsomme over for en enkelt fotonindgang, såsom en enkelt fotonkontakt, hvor en indkommende foton skifter tilstanden af ​​en anden foton.

For at realisere den stærke lys-stof-interaktion, der er nødvendig for sådanne enheder, Tanji-Suzuki bruger et laserkølet ensemble med 87Rb-atomer (~ 10 uK), der er fanget i en optisk resonator med høj finesse (finesse ~ 50000) i et kammer med meget højt vakuum. Især for at skifte en foton med en foton i et sådant system, forskerne bruger en effekt kendt som 'vakuuminduceret gennemsigtighed', der for nylig blev observeret af Tanji-Suzuki et al., hvor et elektromagnetisk felt så svagt som et vakuumfelt (lys uden fotoner) viser sig at ændre atomers optiske egenskaber.

"Realiseringen af ​​sådanne helt optiske enkeltfoton-enheder vil være et stort skridt i retning af deterministisk multi-mode entanglement generation såvel som high-fidelity fotoniske kvanteporte, der er afgørende for al-optisk kvanteinformationsbehandling, "siger Tanji-Suzuki.