Optagelse af enkeltfotoner for at udforske grundlæggende fysik og kvanteinformationsvidenskab

Quantum optik, hvor lys- og stofinteraktioner undersøges på mikroskopisk niveau, har tjent nobelpriser - heraf tre uddelt siden 2001 - for nogle af videnskabens største navne. Imidlertid, selv på dette modne felt, nogle interessante fysikker er stort set uudforskede. Et internationalt team af forskere fra Technische Universität Wien (Østrig), Duke University, Università degli Studi di Palermo og Istituto Nanoscienze CNR (Italien), og det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory har afsløret en ny tilgang til fotonfangst, der kan lokalisere og gemme en foton, giver en anden mulighed for at opklare kompliceret fysik og manipulere kvantetilstanden for enkelte fotoner. Deres arbejde blev for nylig offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Yao-Lung (Leo) Fang, en assisterende beregningsforsker ved Quantum Computing Group i Brookhavens Computational Science Initiative og en medforfatter af papiret, forklarede, at en partikel, der indtager en stabil bundet tilstand, er begrænset i rummet, såsom en elektron, der kredser om et hydrogenatom. Imidlertid, bundne tilstande er typisk afbrudt fra det kontinuerlige energispektrum - dvs. ud af kontinuum - af systemet. Dette gør bundne tilstande i kontinuum (BIC) til et interessant, men vanskeligt fysisk fænomen at studere. Faktisk, Fang bemærkede, at BIC er et aktivt forskningsemne på tværs af mange videnskabelige og tekniske områder.

I nogle atombølgelederopsætninger (et testbed, hvor en endimensionel optisk kanal er stærkt koblet til atomer) kan der findes en BIC bestående af kollektive excitationer af lys og stof. Bevæbnet med denne viden, Fang og hans kolleger bestemte en ny tilgang til at begejstre BIC, som tidligere menes kun at være mulig med spontan fotonemission. I modsætning til konventionelle fremgangsmåder, der kræver styring af lys, der formerer sig i et medium, deres excitationsmetode gav en ny måde at fange enkeltfotoner på uden at bremse lyset.

"Da Francesco [Ciccarello, medforfatter til papiret] bragte først denne idé om at spændende BIC til os, Jeg var lidt skeptisk, "Sagde Fang." Men, efter vi satte os ned og analyserede det grundigt, det viser sig, at han havde ret. Det virker virkelig! "

Holdet overvejede BIC i to testbede, herunder en åben bølgeleder koblet til et par fjerne atomer. Spændende BIC krævede også to vigtige ingredienser:en multi-fotonbølgepakke og en betydelig tidsforsinkelse (rundturstid for fotoner til at sprede sig mellem to fjerne objekter). Fang og hans kolleger fandt ud af, at ved korrekt at konstruere tidsforsinkelsen og bølgeparametrene, de kunne sende to fotoner ind og fange en med mere end 80 procent sandsynlighed. Med forbedrede parametre, det forventer de, i princippet, en perfekt fangst er mulig. Resultatet giver et alternativt eksempel til undersøgelse af kvantedynamik i et ikke -lineært system. På tur, dette kan informere brede forskningsområder, der involverer kvantefysik i mange legemer, hvor systemer er sammensat af talrige kvantemekanisk interagerende partikler.

"Vi var nødt til at have en endelig tidsforsinkelse for at maksimere fælden, "Fang sagde." Værdien er, at metoden kan gavne kvantehukommelser, netværk, og computing. For eksempel, kvantecomputere skal gemme en foton og hente den, når det er nødvendigt. Fordi fotoner bevæger sig med lysets hastighed og ikke kan stoppe, vi skal bremse dem, så de kan gemmes. Nu, vi har en ny, verificerbar mekanisme til opbevaring af en foton. "

Fang erkendte, at teamets foton-spredningsarbejde også adskiller sig på grund af dets indflydelse af ikke-markovisk dynamik, hvilket kan være svært at løse på grund af hvordan tidligere stater påvirker de efterfølgende stater i et system.

"Der er generel interesse for ikke-markovisk fysik, fra alle optiske systemer, herunder mikrobølger og lasere, AMO [atomisk, molekylær, og optisk] fysik til optomekanik, og en typisk signatur er afvigelsen fra rent eksponentielt henfald, "forklarede han." Der er store tekniske vanskeligheder ved at studere mange kropseffekter med tidsforsinkelse. I ikke-markovisk dynamik med forsinkelseseffekter, vores undersøgelse præsenterer et modelsystem med lignende fysik, der kan løses numerisk for at lade fysikere udlede og undersøge, hvad der sker i disse systemer. "

Ultimativt, Fang bemærkede, der er et stort potentiale for at drage fordel af BIC, såsom for at oprette en to-qubit sammenfiltret gate til kvantecomputere eller endda forestille sig langdistancekommunikation over kvantenetværk.

"Ved at spændende BIC, en endelig sammenfiltring kan skabes mellem to fjerne noder i et kvantenetværk, "sagde han." Der er mange måder, metoden kan give effektive ordninger for andet arbejde og på nye videnskabelige områder. "