Учёные из Швейцарии и Германии создали квантовый фотонный вентиль, который может генерировать и манипулировать фотонами по отдельности или несколькими одновременно. Это устройство является важным шагом в развитии квантовых технологий, в частности, для создания оптических квантовых компьютеров.

Для создания такого вентиля учёным необходимо было разработать специальную среду, которая позволяла бы контролировать взаимодействие между фотонами. Одним из способов достижения этого является использование так называемого «одномерного атома», который испускает фотоны на основе определённых состояний.

Группа исследователей под руководством Ричарда Уорбертона из Базельского университета создала такой фотонный вентиль с использованием квантовой точки. Квантовая точка представляет собой объект нанометрового размера, оптические и электронные свойства которого регулируются правилами квантовой механики.

Устройство состоит из квантовой точки, встроенной между двумя отражающими стенками оптической полости. Слабый лазерный свет, состоящий из фотонных состояний, которые являются одним фотоном или несколькими фотонами, входит в полость сверху и сталкивается с квантовой точкой. Квантовая точка поглощает его, если точка имеет разницу в уровнях энергии, которая соответствует энергии фотона.

Если входящее фотонное состояние сверху состоит из двух или более фотонов, то взаимодействие этого состояния с квантовой точкой изменяется, и поляризация (направление её электрического поля) исходящего состояния изменяется. С поляризационным фильтром («делителем луча»), размещённым на вершине точки, отражённые одиночные испущенные фотоны проходят в одном направлении (порт 1), а отражённые многофотонные состояния отражаются в другом направлении (порт 2).

Таким образом, входящий луч разделяется на однофотонные и многофотонные состояния. Источник, состоящий из нескольких различных фотонных состояний, приводит к однофотонному лучу, который может использоваться в квантовых технологиях, оптических компьютерных схемах или для других приложений. Устройство действует как зеркало для одиночных фотонов.

В своём эксперименте группа обнаружила, что 99,2% входящего пучка были разделены на многофотонные состояния, оставив чистые одиночные фотоны, что показывает высокую эффективность взаимодействия квантовой точки с оптической полостью. Измерение так называемой корреляционной функции второго порядка — меры группировки фотонов, которая является мерой нелинейности — дало значение 587.

Это значение является рекордным и превышает предыдущее лучшее значение из других экспериментальных установок в 29 раз. Конфигурация полости позволяет настраивать и манипулировать прошедшим светом, перемещая квантовую точку относительно оптической полости без внешних изменений в установке.

Это изменяет связь между точкой и полостью. Сильная группировка прошедших фотонов фактически может быть изменена на антигруппировку. «Квантовая точка ведёт себя совершенно по-разному в зависимости от количества фотонов. Это приводит к группировке, поскольку передаются только многофотонные состояния», — пишут исследователи. Различение наблюдаемых чисел фотонов позволяет взаимодействовать на уровне отдельных фотонов.

Эти результаты могут привести к полезному созданию связанных фотонных состояний, в которых два или более фотонов удерживаются близко друг к другу. Фотоны обычно не взаимодействуют друг с другом, что является полезным свойством для оптоволоконной связи. Однако для некоторых приложений, таких как классическая и квантовая обработка информации, желательно взаимодействие между фотонами, но для этого требуется очень нелинейная среда, подобная той, что разработана в этой работе.

Такие нелинейные фотонные процессы уже используются в приложениях, как преобразование частоты фотонов, усиление света и считывание света. Другие экзотические фотонные состояния, генерируемые этим устройством, могут оказаться полезными для понимания многих явлений тела в контролируемой обстановке.