Взаимодействие между двумя фотонами стало возможным благодаря стекловолокну

В Венском технологическом университете два фотона заставили взаимодействовать с помощью ультратонкого стеклянного волокна.

Открытый метод наверняка станет новым инструментом квантовой технологии.

Два фотона в открытом пространстве не взаимодействуют. Световые волны могут пройти друг через друга без малейшего влияния. Но для квантовой технологии весьма важно взаимодействие между фотонами. Это обязательная предпосылка для передачи информации через квантовые каналы или для построения оптических логических ворот.

Ученые из Венского технологического университета преуспели в том, чтобы установить сильное взаимодействие между двумя отдельными фотонами. Успех открывает совершенно новые возможности в квантовой оптике.

Экспериментальные результаты опубликованы в издании Nature Photonics.

Взаимодействие обычно требует яркого света

«Чтобы устроить взаимодействие света со светом, обычно используют нелинейные среды», сообщил профессор Арно Рошенбейтель. Свет воздействует на свойства таких материалов, и материал, в свою очередь, также влияет на свет, что приводит к косвенной сцепленности между фотонами. Эта технология, однако, может использоваться лишь при высокоинтенсивном свете, с участием бесчисленного количества фотонов.

В технологическом университете Вены была построена система, которая создает сильное взаимодействие между двумя фотонами. Это взаимодействие настолько прочное, что фаза фотонов меняется на 180 градусов. «Это похоже на маятник, который фактически должен качаться налево, но из-за сцепления со вторым маятником качается направо. Более экстремального изменения в колебании маятника быть просто не может», сообщил Рошенбейтель. „Мы достигли наивысшего взаимодействия с наименьшей интенсивностью света“.

Фотон полез в бутылку

Чтобы сделать это возможным, фотон требуется отправить в маловероятное путешествие. Ультратонкое стекловолокно соединяется с крошечным бутылкоподобным световым резонатором так, что свет может частично вступать в резонатор, двигаться кругами и возвращаться к стекловолокну. Этот проход через резонатор приводит к инвертированию фазы фотона: там, где ожидалась волновая впадина, наблюдается гребень.

Однако когда с резонатором совместили одинарный атом рубидия, система существенно изменилась. Из-за этого атома фаза колебания не инвертируется, едва в резонатор попадает больше света.

Два фотона сразу

Все меняется, когда два фотона прибывают одновременно. «Атом — это поглотитель, который может насытиться», заявил Арно Рошенбейтель. „Фотон быстро поглощается атомом и затем поступает в резонатор. Все это время атом не может поглотить другой фотон. Если два фотона поступят одновременно, один будет поглощен, а второй участвует в смене фазы“.

С точки зрения квантовой механики между этими двумя фотонами разницы нет никакой. Они могут пониматься как объединенный волноподобный объект, который находится в резонаторе и в стекловолокне в одно и то же время. Фотоны неразличимы. Никто не сможет определить, какой именно фотон поглощен, а какой прошел. Когда оба фотона поступают в резонатор одновременно, они оба испытывают изменение фазы на 180 градусов. Два взаимодействующих фотона, поступающих одновременно, демонстрируют совершенно иное поведение, нежели одинарные фотоны.

Стандартные компоненты будущих квантовых путей данных

«Так может быть создано максимально сцепленное состояние фотона», сказал Арно Рошенбейтель. „Такие состояния требуются во всех областях квантовой оптики — в квантовой телепортации, или для световых транзисторов, которые потенциально могут использоваться в квантовых компьютерах“.

Значительное преимущество новой системы в том, что она основана на технологии стекловолокна, которая уже используется в отрасли связи. Наностекловолокна и бутылочные резонаторы полностью совместимы с существующими технологиями. Целевое создание мощного взаимодействия между двумя фотонами — важный шаг к всемирной квантовой информационной сети для передачи данных.

03.11.2014