Ny teori om indfangning af lyspartikler har til formål at fremme udviklingen af ​​kvantecomputere

Kvantecomputere, som bruger lette partikler (fotoner) i stedet for elektroner til at transmittere og behandle data, holde løftet om en ny æra af forskning, hvor den tid, det tager at realisere livreddende lægemidler og nye teknologier, vil blive betydeligt forkortet. Fotoner er lovende kandidater til kvanteberegning, fordi de kan sprede sig over lange afstande uden at miste information, men når de opbevares i stof, bliver de skrøbelige og modtagelige for dekoherens. Nu forskere med Photonics Initiative ved Advanced Science Research Center (ASRC) på The Graduate Center, CUNY har udviklet en ny protokol til lagring og frigivelse af en enkelt foton i en indlejret egenstat - en kvantetilstand, der stort set ikke er påvirket af tab og dekoherens. Den nye protokol, detaljeret i det aktuelle nummer af Optica , har til formål at fremme udviklingen af ​​kvantecomputere.

"Målet er at gemme og frigive enkeltfotoner på forespørgsel ved samtidig at sikre stabiliteten af ​​data, "sagde Andrea Alù, stiftende direktør for ASRC Photonics Initiative og Einstein professor i fysik ved The Graduate Center. "Vores arbejde viser, at det er muligt at begrænse og bevare en enkelt foton i et åbent hulrum og have den til at forblive der, indtil en anden foton får det til at fortsætte med at formere sig."

Forskergruppen brugte kvanteelektrodynamiske teknikker til at udvikle deres teori. De undersøger et system bestående af et atom og et hulrum - sidstnævnte er delvist åbent og derfor normalt ville tillade lys, der er fanget i systemet, at lække ud og hurtigt gå tabt. Forskergruppen viste, imidlertid, at under visse omstændigheder kan destruktive interferensfænomener forhindre lækage og tillade en enkelt foton at blive hostet i systemet på ubestemt tid. Denne indlejrede egenstat kan være meget nyttig til lagring af oplysninger uden forringelse, men den lukkede natur af denne beskyttede stat skaber også en barriere for ydre stimuli, så enkelte fotoner heller ikke kan injiceres i systemet. Forskergruppen var i stand til at overvinde denne begrænsning ved at spændende systemet på samme tid med to eller flere fotoner.

"Vi foreslog et system, der fungerer som en lukket kasse, når den spændes af en enkelt foton, men det åbner meget effektivt, når vi rammer det med to eller flere fotoner, "sagde Michele Cotrufo, første forfatter til papiret og en postdoktor ved ASRC Photonics Initiative. "Vores teori viser, at to fotoner effektivt kan injiceres i det lukkede system. Efter det, en foton vil gå tabt, og den anden vil blive fanget, når systemet lukker. Den lagrede foton har potentiale til at blive bevaret i systemet på ubestemt tid. "

I realistiske systemer, yderligere ufuldkommenheder ville forhindre perfekt indeslutning af fotoner, men forskergruppens beregninger viste, at deres protokol overgår tidligere løsninger baseret på et enkelt hulrum.

Forfatterne viste også, at den lagrede ophidsede foton senere kan frigives på forespørgsel ved at sende en anden puls af fotoner.

Teamets fund har potentialet til at løse kritiske udfordringer for kvantecomputering, herunder on-demand-generering af sammenfiltrede fotoniske tilstande og kvantehukommelser. Gruppen undersøger nu muligheder for eksperimentelt at verificere deres teoretiske arbejde.