Puterea unui singur foton. Fotonii individuali ajuta la dezvoltarea tehnologiei cuantice

Sursa imagine: descopera.ro

Dar multe aplicatii cuantice importante (cum ar fi realizarea comunicatiei cuantice securizate) pot fi utilizate numai atunci cand se lucreaza cu un singur foton. Comunitatea stiintifica din domeniul cuantic a trebuit sa astepte mai mult de un deceniu pana cand un cip optic compact sa poata genera, cu precizie si cu o rata foarte mare, cate un singur foton.

Cu ajutorul colaboratorilor internationali si a celor locali, am anuntat in Nature Communications ca s-a reusit integrarea unor dispozitive care genereaza fotoni individuali in cadrul unui singur cip de siliciu, o realizare de mare importanta pentru tehnologiile cuantice din viitor.

Fotonii ca qubiti

In anul 1982, fizicianul american si laureat al premiului Nobel, Richard Feynman, a propus ideea de a se construi un nou tip de computer bazat pe principiile mecanicii cuantice.

In timp ce intr-un computer obisnuit informatia este reprezentata sub forma unui bit ce are valoarea de 0 sau 1, echivalentul cuantic al acestuia este qubitul, o particula cuantica care are doua stari binare.

Datorita naturii sale cuantice, un qubit poate sa se afle in starea 0 sau in starea 1 sau in superpozitia cuantica a acestor stari, in acelasi timp.

Calculele efectuate cu ajutorul qubitilor se desfasoara in conformitate cu un set diferit de reguli in comparatie cu un calculator obisnuit si aceasta tehnica permite ca anumite probleme sa poata fi rezolvate mult mai repede.

Un foton este un exemplu de particula cuantica ce poate fi folosita ca un qubit, iar cercetatorii ar dori sa fie capabili sa genereze fotoni unul cate unul, deoarece doi sau mai multi fotoni, aflati intr-un grup, nu actioneaza ca un qubit.

Este usor sa producem mai multi fotoni, dar este cu mult mai greu sa reusim ca acestia sa apara unul cate unul, fotonii prin natura lor fiind particule „sociabile" si cu o rata de generare cat mai ridicata, care este similara cu frecventa mare de lucru a unitatilor centrale de prelucrare a informatiilor din calculatoarele actuale.

In ultimii ani s-au obtinut fotoni individuali prin intermediul unor echipamente adeseori voluminoase si cu un randament scazut. Am aratat ca prin utilizarea mai multor dispozitive imperfecte, intr-un mod combinat, pe un singur cip de siliciu noi putem produce o sursa compacta de fotoni individuali avand o calitate mult mai mare si care poate permite dezvoltarea unor aplicatii noi ce pot utiliza aceasta tehnologie.

La pescuit de fotoni

Cercetarea noastra s-a concentrat pe procesul fizic ce se afla in spatele procedeului de obtinere a fotonilor. Exista o legatura intrinseca intre rata de producere a fotonilor individuali utili si cat de des sunt generati, in schimb, doi sau mai multi fotoni: aceste grupari de fotoni sunt nedorite.

Producerea de fotoni individuali, cu o rata ridicata, este adeseori insotita de un numar mai mare al fotonilor suplimentari nedoriti, asa incat suntem nevoiti sa reducem rata de generare a fotonilor la o valoare mai favorabila scopului urmarit de noi.

Ganditi-va la acest lucru in termeni de pescuit: in loc sa generam fotoni individuali, ne dorim sa prindem peste. O solutie simpla ar fi ca un pescar, aflat pe o barca, sa arunce o plasa pentru pesti, dar prin acest procedeu se vor prinde atat pesti, cat si o multime de resturi nedorite.

Acest procedeu este analog cu utilizarea unei surse conventionale de fotoni, care genereaza multi fotoni, dar, de asemenea, si o multime de fascicule nedorite de lumina.

In schimb, noi putem trimite doi oameni cu undite. Cu putin noroc, ei ar putea prinde impreuna acelasi numar de pesti, in aceeasi perioada de timp, dar pentru ca aceasta metoda este mult mai selectiva, sansa de a colecta resturi este mult mai mica.

Un singur dispozitiv pentru generarea fotonilor individuali (un pescar) atunci cand functioneaza cu o rata ridicata (utilizeaza o plasa mare pentru pesti) genereaza o multime de fotoni nedoriti. Prin combinarea a doua surse de fotoni individuali (doi pescari pe o barca) pe un cip unic de siliciu (barca), cantitatea de „resturi" reprezentate de aglomerarile de fotoni s-a redus semnificativ. In viitor vom combina mai multe surse fotonice pe un singur cip (vrem mai multi pescari!). Credit: SevenPixelz. 

Acest lucru este analog cu ce am facut noi: doua surse de fotoni individuali (pescarii) au fost combinate intr-un singur cip de siliciu (barca), pentru ca proportia de „resturi" reprezentate de fasciculele de fotoni nedorite sa se reduca semnificativ.

Mai multi pescari

In viitor noi vom extinde aceasta idee si vom combina mai multe dispozitive pe un singur cip optic de siliciu. Chiar daca fiecare sursa individuala functioneaza la o rata de generare a fotonilor individuali mica, ele pot fi combinate pentru a oferi rate mult mai mari, noi avand nevoie doar de mai multi pescari!

Acest lucru ne va permite sa generam un numar mai mare de fotoni individuali utili, care pot actiona sub forma unor qubiti optici, ceea ce reprezinta o conditie fundamentala in cadrul calculatoarelor cuantice complexe.

Prin aceasta lucrare de cercetare se poate imbunatati tehnologia de producere a fotonilor individuali, inclusiv a comunicatiilor securizate in care perfectionarea metodei de generare a fotonilor individuali poate conduce la cresterea distantei si a ratei de transfer din cadrul unei legaturi cuantice securizate de comunicare.

Aceasta cercetare face obiectul activitatii desfasurate in cadrul Centre for Ultrahigh Bandwidth Devices for Optical Systems (CUDOS) din University of Sydney.

Alte posibile aplicatii ale acestei tehnologii pot fi in cadrul metrologiei (stiinta masurarii), in simularea sistemelor biologice si chimice si, desigur, in calculul cuantic.

SURSA: Scientia.ro