Атом в полости извлекает высокочистые одиночные фотоны из слабого лазерного света

Не совсем похоже на винокурню Шнапса — фотон все еще в Гархинге. Кредит: Северин Дайс / Quantum Dynamics Group

Квантовые физики могут теперь производить своего рода фотонный шнапс. Когда спирт перегоняется, содержание алкоголя увеличивается относительно содержания воды. Подобный метод, разработанный группой из Института квантовой оптики им. Макса Планка в Гархинге, работает над квантофотонами света. Он извлекает отдельные фотоны из источника света, отталкивает нежелательный вакуумный компонент и сообщает об этом событии. Такие одиночные фотоны являются важными квантовыми битами для современной квантовой информационной технологии.

Это действительно напоминает принцип, лежащий в основе перегонки спирта — хотя устройство, размещенное в лаборатории Института квантовой оптики им. Макса Планка, выглядит совершенно иначе, чем то, что используется для перегонки шнапса. Эксперимент Garching увеличивает долю отдельных фотонов по отношению к вакууму. Эта мотивация может показаться странной для широкой публики. Однако это ведет прямо в странный мир квантовой физики. В конечном счете слабые источники света, способные доставлять ровно один фотон, играют центральную роль в квантовых информационных технологиях., Как квантовый бит, фотон может передавать элементарную квантовую информацию, необходимую для квантовых сетей, квантового шифрования и квантовых компьютеров — так же, как современные цифровые технологии обрабатывают отдельные биты в качестве носителей информации.

Создание однофотонных источников является проблемой, которая исследовалась во всем мире в течение многих лет. Это звучит удивительно, потому что для освещения комнаты достаточно одного прикосновения выключателя света. Однако свет от лампы соответствует потоку огромного количества фотонов. Если вы уменьшите источник света до такой степени, что из него могут вырваться только одиночные фотоны, вы столкнетесь с природой квантового мира, в которой можно бросить кубик; иногда ничего не приходит, а потом приходят два или три фотона и так далее. Это немного похоже на капание из неподвижного. Вы не можете точно предсказать, когда будет падение или насколько оно будет велико.

Никакой вакуум не может быть добавлен к чисто подготовленному фотону

Физики из отдела Герхарда Ремпса в Институте квантовой оптики им. Макса Планка не собирались разрабатывать еще один однофотонный источник света. Вместо этого их эксперимент может извлечь отдельные фотоны из света любого очень слабого источника света — например, неподвижного — и достоверно сообщить об этом событии. Строго говоря, это уменьшает долю чистого вакуума по сравнению с событием получения фотона. Это то, что вы узнаете от Северина Дайса, докторанта Института и первого автора публикации. Одной из особенностей квантового мира является то, что сам вакуум представляет собой квантовое состояние . Если вы хотите аккуратно приготовить фотон, не нужно добавлять вакуум.

Две задачи объединяются в новой исследовательской работе команды Ремпса. Первая задача — получить ровно один фотон. Второе — надежно его обнаружить. Один атом рубидия решает обе задачи за один шаг. Этот атом находится в некоем зеркальном шкафу. Точнее, он заперт между двумя почти идеальными зеркалами, обращенными друг к другу. Расстояние между зеркалами в этом «резонаторе» точно соответствует кратному половине длины волны света, в котором атом мог излучать или поглощать свой собственный фотон. В этой системе атом может складываться назад и вперед между двумя позициями отображения, как указатель; это играет важную роль здесь.

Несколько фотонных последовательностей увеличивают чистоту света

«Мы можем использовать эту систему атома в резонаторе как неподвижный элемент для фотона», — говорит Северин Дайс. Группа на основе Garching направляет чрезвычайно слабый лазерный свет — из которого они хотят получить один фотон — на полость. Там он делает то, что работает только в квантовом мире: он запутывается в расположении атома-резонатора, образуя общее квантовое состояние. Это запутанное состояние делает систему неподвижной: с помощью измерения на атоме физики могут извлечь четное или нечетное количество фотонов из падающего света.

Однако это не работает как переключатель; природа квантового мира, в которую играют в кости, препятствует проникновению фотона нажатием кнопки. «Здесь решающим является то, что теперь мы можем использовать атом в качестве указателя для сообщения об успешной однофотонной дистилляции», — объясняет Дайс. Физики позволяют устройству вращать фотоны, но надежно отображают количество кубиков.

В сочетании со сверхслабым светом режим «нечетного числа фотонов» теперь может генерировать события с одним фотоном, потому что больше фотонов редко доступно. Дистилляция прошла успешно с «чистотой» 66 процентов, что означает, что содержание вакуума было уменьшено до одной трети. По сравнению с однофотонными источниками света это хороший результат для первой попытки. Эта чистота может быть значительно увеличена с лучшими оптическими полостями. Элементы для дистилляции фотонов могут быть соединены последовательно для дальнейшего повышения чистоты проходящего фотона. Качество света от других однофотонных источников также могут быть улучшены. Это все равно что делать 60 процентов (или выше) водки из 40 процентов водки.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...