Gewoonlijk, lichtdeeltjes - fotonen - interageren niet. Als twee fotonen in vacuüm op elkaar botsen, ze gaan gewoon door elkaar heen.

Een efficiënte manier om fotonen op elkaar in te laten werken, zou nieuwe perspectieven kunnen openen voor zowel klassieke optica als kwantumcomputers. een experimentele technologie die grote versnellingen belooft bij sommige soorten berekeningen.

In recente jaren, natuurkundigen hebben foton-foton-interacties mogelijk gemaakt met behulp van atomen van zeldzame elementen die tot zeer lage temperaturen zijn afgekoeld.

Maar in het laatste nummer van Fysieke beoordelingsbrieven , MIT-onderzoekers beschrijven een nieuwe techniek om foton-foton-interacties bij kamertemperatuur mogelijk te maken, met behulp van een siliciumkristal met kenmerkende patronen erin geëtst. In natuurkundig jargon, het kristal introduceert "niet-lineariteiten" in de transmissie van een optisch signaal.

"Al deze benaderingen die atomen of atoomachtige deeltjes hadden, vereisen lage temperaturen en werken over een smalle frequentieband, " zegt Dirk Englund, een universitair hoofddocent elektrotechniek en computerwetenschappen aan het MIT en senior auteur van het nieuwe artikel. "Het was een heilige graal om met methoden te komen om niet-lineariteiten op één fotonniveau te realiseren bij kamertemperatuur onder omgevingsomstandigheden."

Deelnemen aan Englund op het papier zijn Hyeongrak Choi, een afgestudeerde student elektrotechniek en informatica, en Mikkel Heuck, die een postdoc was in het laboratorium van Englund toen het werk werd gedaan en nu aan de Technische Universiteit van Denemarken werkt.

Fotonische onafhankelijkheid

Kwantumcomputers maken gebruik van een vreemde fysieke eigenschap genaamd "superpositie, " waarin kan worden gezegd dat een kwantumdeeltje tegelijkertijd in twee tegenstrijdige toestanden leeft. De spin, of magnetische oriëntatie, van een elektron, bijvoorbeeld, kan tegelijkertijd zowel omhoog als omlaag zijn; de polarisatie van een foton kan zowel verticaal als horizontaal zijn.

Als een reeks kwantumbits - of qubits, de kwantumanaloog van de bits in een klassieke computer - is in superpositie, het kan, In zekere zin, tegelijkertijd meerdere oplossingen voor hetzelfde probleem zoeken, daarom beloven kwantumcomputers versnellingen.

De meeste experimentele qubits gebruiken ionen die gevangen zitten in oscillerende magnetische velden, supergeleidende circuits, of - zoals Englunds eigen onderzoek - defecten in de kristalstructuur van diamanten. Met al deze technologieën echter, superposities zijn moeilijk vol te houden.

Omdat fotonen niet erg gevoelig zijn voor interacties met de omgeving, ze zijn geweldig in het handhaven van superpositie; maar om dezelfde reden ze zijn moeilijk te controleren. En kwantumcomputing hangt af van het vermogen om stuursignalen naar de qubits te sturen.

Dat is waar het nieuwe werk van de MIT-onderzoekers om de hoek komt kijken. Als een enkel foton hun apparaat binnenkomt, het zal er ongehinderd doorheen gaan. Maar als twee fotonen - in de juiste kwantumtoestanden - het apparaat proberen binnen te gaan, ze zullen worden teruggekaatst.

De kwantumtoestand van een van de fotonen kan dus worden beschouwd als het beheersen van de kwantumtoestand van de andere. En de kwantuminformatietheorie heeft vastgesteld dat eenvoudige kwantumpoorten van dit type alles zijn wat nodig is om een ​​universele kwantumcomputer te bouwen.

onsympathieke resonantie

Het apparaat van de onderzoekers bestaat uit een lange, smal, rechthoekig siliciumkristal met regelmatig uit elkaar geplaatste gaten erin geëtst. De gaten zijn het breedst aan de uiteinden van de rechthoek, en zij vernauwen zich naar het midden ervan. Het verbinden van de twee middelste gaten is een nog smaller kanaal, en in het midden, aan weerszijden, zijn twee scherpe concentrische punten. Het gatenpatroon vangt tijdelijk licht in het apparaat op, en de concentrische uiteinden concentreren het elektrische veld van het ingesloten licht.

De onderzoekers maakten een prototype van het apparaat en toonden aan dat het zowel het licht beperkte als het elektrische veld van het licht concentreerde in de mate die werd voorspeld door hun theoretische modellen. Maar om het apparaat in een kwantumpoort te veranderen, zou een ander onderdeel nodig zijn, een diëlektricum ingeklemd tussen de tips. (Een diëlektricum is een materiaal dat gewoonlijk elektrisch isolerend is, maar gepolariseerd zal worden - al zijn positieve en negatieve ladingen zullen in dezelfde richting uitgelijnd zijn - wanneer het wordt blootgesteld aan een elektrisch veld.)

Wanneer een lichtgolf dichtbij een diëlektricum passeert, het elektrische veld zal de elektronen van de atomen van het diëlektricum enigszins verdringen. Als de elektronen terugveren, zij wiebelen, als de schommel van een kind wanneer er te hard op wordt geduwd. Dit is de niet-lineariteit waar het systeem van de onderzoekers gebruik van maakt.

De grootte en afstand van de gaten in het apparaat zijn afgestemd op een specifieke lichtfrequentie - de 'resonantiefrequentie' van het apparaat. Maar het niet-lineaire wiebelen van de elektronen van het diëlektricum zou die frequentie moeten verschuiven.

Gewoonlijk, die verschuiving is mild genoeg om verwaarloosbaar te zijn. Maar omdat de scherpe punten in het apparaat van de onderzoekers de elektrische velden van binnenkomende fotonen concentreren, ze overdrijven ook de verschuiving. Een enkel foton kan nog steeds door het apparaat komen. Maar als twee fotonen erin probeerden te komen, de verschuiving zou zo dramatisch zijn dat ze zouden worden afgewezen.

Praktisch potentieel

Het apparaat kan zo worden geconfigureerd dat de dramatische verschuiving in resonantiefrequentie alleen optreedt als de fotonen die het proberen binnen te gaan bepaalde kwantumeigenschappen hebben - specifieke combinaties van polarisatie of fase, bijvoorbeeld. De kwantumtoestand van het ene foton zou dus de manier kunnen bepalen waarop het andere foton wordt behandeld, de basisvereiste voor een kwantumpoort.

Englund benadrukt dat het nieuwe onderzoek op korte termijn geen werkende kwantumcomputer zal opleveren. Te vaak, licht dat het prototype binnenkomt, wordt nog steeds verstrooid of geabsorbeerd, en de kwantumtoestanden van de fotonen kunnen enigszins vervormd raken. Maar op korte termijn zijn andere toepassingen wellicht meer haalbaar. Bijvoorbeeld, een versie van het apparaat zou een betrouwbare bron van enkele fotonen kunnen zijn, die een reeks van onderzoek op het gebied van kwantuminformatiewetenschap en communicatie enorm zou bevorderen.

"Dit werk is vrij opmerkelijk en uniek omdat het een sterke interactie tussen licht en materie vertoont, lokalisatie van licht, en relatief lange opslag van fotonen op zo'n kleine schaal in een halfgeleider, " zegt Mohammed Soltani, een nanofotonica-onderzoeker in de Quantum Information Processing Group van Raytheon BBN Technologies. "Het kan dingen mogelijk maken die voorheen twijfelachtig waren, zoals niet-lineaire enkel-foton poorten voor kwantuminformatie. Het werkt bij kamertemperatuur, het is in vaste toestand, en het is compatibel met de productie van halfgeleiders. Dit werk is een van de meest veelbelovende tot nu toe voor praktische apparaten, zoals kwantuminformatie-apparaten."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.