Quantum optica, waar interacties van licht en materie op microscopisch niveau worden onderzocht, heeft Nobelprijzen verdiend - waaronder drie sinds 2001 - voor enkele van de grootste namen in de wetenschap. Echter, zelfs op dit volwassen gebied, enkele interessante natuurkunde blijft grotendeels onontgonnen. Een internationaal team van wetenschappers van de Technische Universität Wien (Oostenrijk), Duke universiteit, Università degli Studi di Palermo en Istituto Nanoscienze CNR (Italië), en het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie heeft een nieuwe benadering onthuld voor het vangen van fotonen die één foton kan lokaliseren en opslaan, een andere optie bieden voor het ontrafelen van gecompliceerde fysica en het manipuleren van de kwantumtoestand van enkele fotonen. Hun werk is onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Yao-Lung (Leeuw) Fang, een assistent-computational scientist bij de Quantum Computing Group in Brookhaven's Computational Science Initiative en een co-auteur van het artikel, legde uit dat een deeltje dat een stabiele gebonden toestand inneemt, in de ruimte is opgesloten, zoals een elektron dat rond een waterstofatoom draait. Echter, gebonden toestanden zijn meestal losgekoppeld van het continue energiespectrum, d.w.z. buiten het continuüm van het systeem. Dit maakt gebonden toestanden in het continuüm (BIC) een interessant maar moeilijk fysiek fenomeen om te bestuderen. In feite, Fang merkte op dat BIC een actief onderzoeksonderwerp is op vele wetenschappelijke en technische gebieden.

In sommige opstellingen van atoomgolfgeleiders (een testbed waar een eendimensionaal optisch kanaal sterk is gekoppeld aan atomen) kan een BIC bestaan ​​die bestaat uit collectieve excitaties van licht en materie. Gewapend met deze kennis, Fang en zijn collega's hebben een nieuwe aanpak bedacht om de BIC te prikkelen, waarvan eerder werd gedacht dat het alleen mogelijk was met spontane fotonenemissie. In tegenstelling tot conventionele benaderingen waarbij het licht dat zich in een medium voortplant, moet worden gecontroleerd, hun excitatiemethode zorgde voor een nieuwe manier om afzonderlijke fotonen te vangen zonder het licht te vertragen.

"Toen Francesco [Ciccarello, co-auteur van het artikel] bracht ons voor het eerst dit idee ter sprake om de BIC te prikkelen, Ik was een beetje sceptisch, zei Fang. "Maar, nadat we gingen zitten en het grondig geanalyseerd hadden, het blijkt dat hij gelijk had. Het werkt echt!"

Het team beschouwde de BIC in twee testbedden, inclusief een open golfgeleider gekoppeld aan een paar verre atomen. Om de BIC opwindend te maken, waren ook twee belangrijke ingrediënten nodig:een multi-fotongolfpakket en een aanzienlijke tijdsvertraging (retourtijd voor fotonen om zich tussen twee verre objecten voort te planten). Fang en zijn collega's ontdekten dat door de tijdvertraging en golfparameters goed te ontwerpen, ze zouden twee fotonen kunnen sturen en er één kunnen vangen met een waarschijnlijkheid van meer dan 80 procent. Met verbeterde parameters, ze verwachten dat, in principe, een perfecte vangst is mogelijk. Het resultaat biedt een alternatief voorbeeld voor het onderzoeken van kwantumdynamica in een niet-lineair systeem. Beurtelings, dit kan informatie verschaffen over brede onderzoeksgebieden met betrekking tot de kwantumfysica met veel lichamen, waar systemen zijn samengesteld uit talrijke kwantummechanisch op elkaar inwerkende deeltjes.

"We moesten een eindige vertraging hebben om de val te maximaliseren, " zei Fang. "De waarde is dat de methode kwantumherinneringen ten goede kan komen, netwerken, en computergebruik. Bijvoorbeeld, kwantumcomputers moeten een foton opslaan en ophalen wanneer dat nodig is. Omdat fotonen met de snelheid van het licht bewegen en niet kunnen stoppen, we moeten ze vertragen zodat ze kunnen worden opgeslagen. Nutsvoorzieningen, we hebben een nieuwe, verifieerbaar mechanisme om een ​​foton op te slaan."

Fang erkende dat het fotonverstrooiingswerk van het team ook verschilt vanwege de invloed ervan door niet-Markoviaanse dynamiek, die moeilijk aan te pakken kunnen zijn vanwege de manier waarop eerdere staten de volgende staten in een systeem beïnvloeden.

"Er is algemene belangstelling voor niet-Markoviaanse fysica, van volledig optische systemen, inclusief microgolven en lasers, AMO [atomair, moleculair, en optische] fysica tot optomechanica, en een typische signatuur is de afwijking van puur exponentieel verval, " legde hij uit. "Er zijn grote technische problemen bij het bestuderen van effecten op veel lichamen met vertraging. In niet-Markoviaanse dynamiek met vertragingseffecten, onze studie presenteert een modelsysteem met vergelijkbare fysica dat numeriek kan worden opgelost, zodat natuurkundigen kunnen afleiden en onderzoeken wat er in deze systemen gebeurt."

uiteindelijk, Fang merkte op, er is een groot potentieel om te profiteren van de BIC, zoals voor het creëren van een twee-qubit verstrengelingspoort voor kwantumcomputers of zelfs voor het bedenken van langeafstandscommunicatie via kwantumnetwerken.

"Door de BIC te prikkelen, een eindige verstrengeling kan worden gecreëerd tussen twee verre knooppunten in een kwantumnetwerk, " zei hij. "Er zijn veel manieren waarop de methode impactvolle schema's kan bieden voor ander werk en in opkomende wetenschapsgebieden."