Skip to content
Home » Een nieuwe methode om efficiënte interacties tussen fotonen mogelijk te maken

Een nieuwe methode om efficiënte interacties tussen fotonen mogelijk te maken

    Een nieuwe methode om efficiënte interacties tussen fotonen mogelijk te maken
    Een nieuwe methode om efficiënte interacties tussen fotonen mogelijk te maken

    Twee fotonen die zich voortplanten in een golfgeleider die interageren met een enkele kwantumstraler. De foton-foton interactie, wat resulteert in correlaties. Krediet: Le Jeannic et al.

    Fotonen, deeltjes die een kwantum van licht vertegenwoordigen, hebben een groot potentieel getoond voor de ontwikkeling van nieuwe kwantumtechnologieën. Meer specifiek hebben natuurkundigen de mogelijkheid onderzocht om fotonische qubits (kwantumeenheden van informatie) te maken die met behulp van fotonen over lange afstanden kunnen worden verzonden.


    Ondanks enkele veelbelovende resultaten, moeten er nog verschillende obstakels worden overwonnen voordat fotonische qubits met succes op grote schaal kunnen worden geïmplementeerd. Het is bijvoorbeeld bekend dat fotonen vatbaar zijn voor voortplantingsverlies (dwz een verlies van energie, straling of signalen wanneer ze van het ene punt naar het andere reizen) en geen interactie met elkaar hebben.

    Onderzoekers van de Universiteit van Kopenhagen in Denemarken, het Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC in Spanje en de Ruhr-Universität Bochum in Duitsland hebben onlangs een strategie bedacht die zou kunnen helpen om een ​​van deze uitdagingen te overwinnen, namelijk het gebrek aan foton-foton-interacties. Hun methode, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in NatuurNatuurkundezou uiteindelijk kunnen helpen bij de ontwikkeling van meer geavanceerde kwantumapparaten.

    “We werken al meer dan 15 jaar aan de deterministische koppeling van enkele kwantumstralers (quantum dots) met enkele fotonen en hebben een zeer krachtige methode ontwikkeld op basis van nanofotonische golfgeleiders,” Peter Lodahl, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, verteldephys.org. “We hebben deze apparaten over het algemeen toegepast voor deterministische bronnen van één foton en bronnen van verstrengeling van meerdere fotonen, maar een andere mogelijke toepassing zou zijn om niet-lineaire bewerkingen op fotonen te induceren.”

    Lodahl en zijn collega’s realiseerden de eerste proof-of-concept-demonstratie van niet-lineaire operaties met behulp van individuele fotonen in 2015. Toen ze dit effect verder onderzochten, ondervonden ze echter problemen bij het grondig begrijpen van de fundamentele fysica die ten grondslag ligt aan dit complexe, enkelvoudige foton en niet-lineaire interactie.

    “In ons vorige werk ontdekten we dat de fysica die de niet-lineaire interactie van lichtpulsen regelt, opmerkelijk rijk was en aanleiding gaf tot een aantal nieuwe mogelijkheden voor het bouwen van fotonische kwantumpoorten en fotonsorteerders,” zei Lodahl. “We hebben de eerste experimentele studie uitgevoerd van niet-lineaire kwantumpulsen die niet-lineaire interactie ondergaan vanwege de koppeling met een deterministisch gekoppelde kwantumemitter.”

    In hun nieuwe experiment gebruikten de onderzoekers de efficiënte en coherente koppeling van een enkele kwantumstraler met een nanofotonische golfgeleider om niet-lineaire kwantuminteracties tussen enkele fotongolfpakketten mogelijk te maken. Om dit te doen, gebruikten ze een enkele kwantumdot, een deeltje van nm-formaat dat zich gedraagt ​​als een atoom met twee niveaus, dat was ingebed in een fotonische kristalgolfgeleider.

    “In dergelijke systemen is de koppeling deterministisch, zodat zelfs één foton dat in de golfgeleider wordt gelanceerd, een interactie aangaat met de kwantumdot”, legt Lodahl uit. “Het verzenden van pulsen met twee of meer fotonen induceert kwantumcorrelaties, omdat slechts één foton tegelijk kan interageren met de kwantumdot. Door de duur van de kwantumpuls te regelen, kunnen we deze correlaties en de interactie tussen de fotonen aanpassen.”

    Met behulp van hun experimentele methode waren Lodahl en zijn collega’s in wezen in staat om een ​​foton te besturen met behulp van een tweede foton, dat werd gemedieerd door hun kwantumstraler. Met andere woorden, ze hebben met succes een niet-lineaire foton-foton-interactie gerealiseerd.

    “We hebben een methode ontwikkeld om fotonen efficiënt met elkaar te laten interageren, gemedieerd door de koppeling met kwantumstippen,” zei Lodahl. “We denken dat dit nieuwe richtingen kan openen voor het maken van foton-foton-kwantumpoorten (wat de moeilijke poort is in fotonische kwantumcomputing) of deterministische fotonsorteerders die essentieel zijn, bijvoorbeeld voor kwantumrepeaters.”

    De nieuwe strategie die door dit team van onderzoekers is geïntroduceerd, kan belangrijke implicaties hebben voor zowel kwantumfysisch onderzoek als de ontwikkeling van kwantumtechnologie. Hun methode zou bijvoorbeeld nieuwe mogelijkheden kunnen openen voor de ontwikkeling van optische kwantumapparaten, terwijl natuurkundigen ook kunnen experimenteren met op maat gemaakte complexe fotonische kwantumtoestanden.

    “We hebben een reeks activiteiten die het huidige werk uitbreiden”, vertelde Hanna Le Jeannic, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, aan Phys.org. “Op een fundamenteel niveau kijken we naar een dieper begrip van hoe kwantumtoestanden van licht worden beïnvloed door door een enkele kwantumpunt te reizen. Maar we voorzien ook al toepassingen van deze kwantuminteractie.”

    Op dit moment proberen Lodahl, Le Jeannic en hun collega’s de niet-lineaire foton-foton-interactie die in hun recente onderzoek is gerealiseerd, te benutten om de vibrationele dynamiek van moleculen te simuleren. Dit kan worden bereikt door de vibrationele dynamiek van complexe moleculen in kaart te brengen op de voortplanting van fotonen in geavanceerde fotonische circuits.


    Op maat gemaakte enkele fotonen: optische controle van fotonen als sleutel tot nieuwe technologieën


    Informatie:
    Hanna Le Jeannic et al, Dynamische foton-foton-interactie gemedieerd door een kwantumstraler, NatuurNatuurkunde (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01720-x

    Ravitej Uppu et al, Quantum-dot-gebaseerde deterministische foton-emitter-interfaces voor schaalbare fotonische kwantumtechnologie, Natuur Nanotechnologie (2021). DOI: 10.1038/s41565-021-00965-6

    A. Javadi et al, Single-photon niet-lineaire optica met een kwantumpunt in een golfgeleider, Natuurcommunicatie (2015). DOI: 10.1038/ncomms9655

    © 2022 Science X Network

    citaten: Een nieuwe methode om efficiënte interacties tussen fotonen mogelijk te maken (2022, 6 oktober), opgehaald op 6 oktober 2022 van https://phys.org/news/2022-10-method-enable-efficient-interactions-photons.html

    Op dit document rust copyright. Afgezien van een eerlijke handel ten behoeve van eigen studie of onderzoek, mag niets worden gereproduceerd zonder schriftelijke toestemming. De inhoud wordt uitsluitend ter informatie verstrekt.