Un nuovo metodo per consentire interazioni efficienti tra le foto

Un nuovo metodo per consentire interazioni efficienti tra le foto

Due fotoni che si propagano in una guida d’onda che interagiscono con un singolo emettitore quantistico. L’interazione fotone-fotone, che si traduce in correlazioni. Credito: Le Jeannic et al.

I fotoni, particelle che rappresentano un quanto di luce, hanno mostrato un grande potenziale per lo sviluppo di nuove tecnologie quantistiche. Più specificamente, i fisici hanno esplorato la possibilità di creare qubit fotonici (unità quantistiche di informazione) che possono essere trasmessi su lunghe distanze usando i fotoni.

Nonostante alcuni risultati promettenti, devono ancora essere superati diversi ostacoli prima che i qubit fotonici possano essere implementati con successo su larga scala. Ad esempio, è noto che i fotoni sono suscettibili alla perdita di propagazione (cioè una perdita di energia, radiazioni o segnali mentre viaggiano da un punto all’altro) e non interagiscono tra loro.

I ricercatori dell’Università di Copenaghen in Danimarca, dell’Instituto de Física Fundamental IFF-CSIC in Spagna e della Ruhr-Universität Bochum in Germania hanno recentemente ideato una strategia che potrebbe aiutare a superare una di queste sfide, vale a dire la mancanza di interazioni fotone-fotone. Il loro metodo, presentato in un articolo pubblicato in Fisica della naturapotrebbe eventualmente aiutare lo sviluppo di dispositivi quantistici più sofisticati.

“Lavoriamo sull’interfaccia deterministica di singoli emettitori quantici (punti quantici) a singoli fotoni da oltre 15 anni e abbiamo sviluppato un metodo molto potente basato su guide d’onda nanofotoniche”, Peter Lodahl, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. “In genere abbiamo applicato questi dispositivi per sorgenti deterministiche a singolo fotone e sorgenti di entanglement multi-fotone, ma un’altra possibile applicazione sarebbe quella di indurre operazioni non lineari sui fotoni”.

Lodahl e i suoi colleghi hanno realizzato la prima dimostrazione proof-of-concept di operazioni non lineari utilizzando singole foto nel 2015. Quando hanno studiato ulteriormente questo effetto, tuttavia, hanno incontrato difficoltà nel comprendere a fondo la fisica fondamentale alla base di questo complesso, fotone singolo e non lineare interazione.

“Nel nostro lavoro precedente, abbiamo scoperto che la fisica che governa l’interazione non lineare degli impulsi di luce era straordinariamente ricca e ha dato origine ad alcune nuove opportunità per la costruzione di porte quantistiche fotoniche e selezionatori di fotoni”, ha detto Lodahl. “Abbiamo condotto il primo studio sperimentale di impulsi quantistici non lineari sottoposti a interazione non lineare a causa dell’accoppiamento con un emettitore quantistico accoppiato deterministicamente”.

Nel loro nuovo esperimento, i ricercatori hanno utilizzato l’accoppiamento efficiente e coerente di un singolo emettitore quantistico con una guida d’onda nanofotografica per consentire interazioni non lineari tra pacchetti d’onda a fotone singolo. Per fare ciò, hanno utilizzato un singolo punto quantico, una particella di dimensioni nm che si comporta come un atomo a due livelli, che è stata incorporata in una guida d’onda di cristallo fotonico.

“In tali sistemi, l’accoppiamento è deterministico, in modo che anche un fotone lanciato nella guida d’onda interagisca con il punto quantico”, ha spiegato Lodahl. “L’invio di impulsi contenenti due o più fotoni induce correlazioni quantistiche poiché solo un fotone alla volta può interagire con il punto quantico. Controllando la durata dell’impulso quantistico, possiamo personalizzare queste correlazioni e l’interazione tra i fotoni”.

Usando il loro metodo sperimentale, Lodahl e i suoi colleghi sono stati essenzialmente in grado di controllare un fotone usando un secondo fotone, che è stato mediato dal loro emettitore quantistico. In altre parole, hanno realizzato con successo un’interazione non lineare fotone-fotone.

“Abbiamo sviluppato un metodo per far interagire i fotoni in modo efficiente tra loro mediato dall’accoppiamento ai punti quantici”, ha detto Lodahl. “Pensiamo che questo potrebbe aprire nuove direzioni per creare porte quantistiche fotone-fotone (che è la porta difficile nell’informatica quantistica fotonica) o dispositivi deterministici di sorter di fotoni che sono essenziali, ad esempio, per i ripetitori quantistici”.

La nuova strategia introdotta da questo team di ricercatori potrebbe avere importanti implicazioni sia per la ricerca sulla fisica quantistica che per lo sviluppo della tecnologia quantistica. Ad esempio, il loro metodo potrebbe aprire nuove possibilità per lo sviluppo di dispositivi ottici quantistici, consentendo anche ai fisici di sperimentare stati quantistici fotonici complessi su misura.

“Abbiamo una serie di attività che estendono il presente lavoro”, ha detto a Phys.org Hanna Le Jeannic, un’altra ricercatrice coinvolta nello studio. “A livello fondamentale, stiamo cercando di capire più a fondo in che modo gli stati quantistici della luce sono influenzati dal viaggiare attraverso un singolo punto quantico. Ma stiamo già prevedendo anche applicazioni di questa interazione quantistica”.

Al momento, Lodahl, Le Jeannic ei loro colleghi stanno cercando di sfruttare l’interazione non lineare fotone-fotone realizzata nel loro recente studio per simulare la dinamica vibrazionale delle molecole. Ciò potrebbe essere ottenuto mappando la dinamica vibrazionale di molecole complesse sulla propagazione dei fotoni in circuiti fotonici avanzati.


Singoli fotoni su misura: il controllo ottico dei fotoni come chiave per le nuove tecnologie


Maggiori informazioni:
Hanna Le Jeannic et al, Interazione dinamica fotone-fotone mediata da un emettitore quantistico, Fisica della natura (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01720-x

Ravitej Uppu et al, Interfacce fotone-emettitore deterministiche basate su punti quantici per la tecnologia quantistica fotonica scalabile, Natura Nanotecnologia (2021). DOI: 10.1038/s41565-021-00965-6

A. Javadi et al, Ottica non lineare a fotone singolo con un punto quantico in una guida d’onda, Comunicazioni sulla natura (2015). DOI: 10.1038/ncomms9655

© 2022 Rete Scienza X

Citazione: Un nuovo metodo per abilitare interazioni efficienti tra fotoni (2022, 6 ottobre) recuperato il 6 ottobre 2022 da https://phys.org/news/2022-10-method-enable-efficient-interactions-photons.html

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