Удалось создать идентичные фотоны, происходящие из разных и далеко разнесенных источников
Группе исследователей под руководством Ричарда Уорбертона из Базельского университета в сотрудничестве с коллегами из Бохумского университета удалось создать идентичные фотоны, происходящие из разных и далеко разнесенных источников.
Хотя квантовые точки базельских исследователей разные, они излучают абсолютно одинаковые световые частицы. Предоставлено: Базельский университет, факультет физики.
Идентичные световые частицы (фотоны) важны для многих технологий, основанных на квантовой физике. Группа исследователей из Базеля и Бохума теперь произвела идентичные фотоны с разными квантовыми точками — важный шаг к таким приложениям, как защищенная связь и квантовый интернет.
Многие технологии, использующие квантовые эффекты, основаны на точно равных фотонах. Однако производство таких фотонов чрезвычайно сложно. Они должны иметь не только одинаковую длину волны (цвет), но и форму и поляризацию.
Группе исследователей под руководством Ричарда Уорбертона из Базельского университета в сотрудничестве с коллегами из Бохумского университета удалось создать идентичные фотоны, происходящие из разных и далеко разнесенных источников.
Одиночные фотоны из квантовых точек
В своих экспериментах физики использовали так называемые квантовые точки , структуры в полупроводниках размером всего несколько нанометров. В квантовых точках электроны захвачены так, что могут занимать только очень определенные энергетические уровни. Свет излучается при переходе с одного уровня на другой. Таким образом, с помощью лазерного импульса, запускающего такой переход, можно создавать одиночные фотоны одним нажатием кнопки.
«В последние годы другие исследователи уже создали идентичные фотоны с разными квантовыми точками», — объясняет Лиан Чжай, исследователь с докторской степенью и первый автор исследования, недавно опубликованного в журнале Nature Nanotechnology . «Однако для этого им пришлось выбирать из огромного количества фотонов наиболее похожие с помощью оптических фильтров». Таким образом, осталось очень мало пригодных для использования фотонов.
Уорбертон и его сотрудники выбрали другой, более амбициозный подход. Во-первых, специалисты в Бохуме произвели чрезвычайно чистый арсенид галлия, из которого были сделаны квантовые точки. Таким образом, естественные вариации между различными квантовыми точками могут быть сведены к минимуму. Затем физики в Базеле использовали электроды, чтобы подвергнуть две квантовые точки воздействию точно настроенных электрических полей. Эти поля модифицировали энергетические уровни квантовых точек и настраивали их таким образом, чтобы фотоны, испускаемые квантовыми точками, имели точно такую же длину волны.
93% идентичны
Чтобы продемонстрировать, что фотоны на самом деле неразличимы, исследователи отправили их на полупосеребренное зеркало. Они заметили, что почти каждый раз световые частицы либо проходили через зеркало парами, либо парами отражались. Из этого наблюдения они могли сделать вывод, что фотоны были идентичны на 93%. Другими словами, фотоны образовали близнецов, хотя они «родились» совершенно независимо друг от друга.
Более того, исследователи смогли реализовать важный строительный блок квантовых компьютеров, так называемые управляемые вентили НЕ (или вентили CNOT). Такие вентили можно использовать для реализации квантовых алгоритмов, способных решать определенные задачи гораздо быстрее, чем классические компьютеры.
«Сейчас наш выход идентичных фотонов по-прежнему составляет около одного процента», — говорит доктор философии, студент Джан Нгуен уступает. Вместе со своим коллегой Клеменсом Спиндлером он участвовал в проведении эксперимента. «Однако у нас уже есть довольно хорошая идея, как увеличить этот доход в будущем». Это сделало бы двухфотонный метод готовым к потенциальному применению в различных квантовых технологиях.
