Pierwsza pamięć kwantowa, która rejestruje kształt pojedynczego fotonu ujawniona w Chinach

Fotony to konie robocze nowoczesnej komunikacji. Obecnie na ogół przenoszą informacje w impulsach świetlnych składających się z wielu fotonów, ale fizycy już teraz są w stanie wykorzystać pojedyncze fotony, kodując dane w ich strukturze.

Jednym ze sposobów na osiągnięcie tego jest wykorzystanie orbitalnego momentu pędu fotonu, będącego miarą jego spiralności. Więc zamiast podróżować jak zwykła płaska fala, foton może być traktowany jako helisa z lewą lub prawą ręką, która jest skręcona w różnym stopniu.

Fizycy mogą wykorzystać tę ręczność i wielkość skrętu do kodowania danych w kształcie i strukturze samego fotonu. Ma to dużą przewagę nad dzisiejszym sposobem, w jaki fizycy wykorzystują fotony.

Konwencjonalny sposób, w jaki fizycy to robią, to użycie polaryzacji. Foton może mieć dwa różne stany polaryzacji – poziomy lub pionowy. Łatwo jest tworzyć fotony w jednym lub drugim stanie i używać ich do kodowania danych.

Dużą zaletą orbitalnego momentu pędu jest to, że foton może być wytwarzany w nieskończonej liczbie różnych stanów orientacji i skręcenia. Oznacza to, że pojedynczy foton może przenosić dowolnie dużą ilość informacji, przynajmniej w zasadzie.

Nic więc dziwnego, że naukowcy chętnie badają sposoby tworzenia i wykrywania fotonów o różnych strukturach przestrzennych, które mogą przenosić informacje.

Brakowało im jednak sposobu przechowywania tych fotonów – w tym ich szczegółowego kształtu i struktury – a następnie ponownego ich uwolnienia.

Dzisiaj Dong-Sheng Ding i koledzy z Uniwersytetu Nauki i Technologii Chin w Hefei twierdzą, że po raz pierwszy rozwiązali ten problem.

Ci goście wygenerowali pojedynczy foton o złożonej strukturze przestrzennej, przechowali go w chmurze atomów rubidu, a następnie uwolnili do 400 nanosekund później. W swoim eksperymencie porównują strukturę fotonów wychodzących z magazynu ze strukturą fotonów, które wchodzą i mówią, że są one mniej więcej identyczne. Mówią, że struktura przestrzenna fotonu jest zachowana bardzo dobrze.

To potencjalnie ważny postęp. Inne grupy podjęły podobne próby przechowywania fotonów w ten sposób, ale tylko przy użyciu wiązek laserowych tak słabych, że prawdopodobnie w każdej chwili zawierają pojedynczy foton. Nie ma jednak sposobu, aby mieć pewność, że eksperymenty na pewno dotyczą pojedynczych fotonów.

Dong-Sheng i spółka ulepszają to, tworząc swoje fotony indywidualnie, używając procesu znanego jako spontaniczne mieszanie czterofalowe. Oznacza to, że mogą być pewni, że eksperymenty dotyczą pojedynczych fotonów, a nie ich zespołu. Relacjonujemy pierwszą eksperymentalną realizację przechowywania prawdziwego pojedynczego fotonu przenoszącego orbitalny moment pędu w zimnym zespole atomowym.

Możliwość przechowywania i uwalniania pojedynczych fotonów jest jedną z technologii umożliwiających rozwój Internetu kwantowego. Te kwantowe urządzenia pamięci masowej są kluczem do routerów kwantowych. Oczywiście, pamięci, które mogą zachować przestrzenną strukturę fotonów, sprawią, że ten rodzaj routera i internet, który umożliwia, staną się znacznie bardziej elastyczne i wydajne.

Oczywiście, technologie, które doprowadzą do powstania kwantowego Internetu przyszłości, będą zależeć od wielu innych czynników, z których nie tylko będzie dużo szczęścia. Ale biorąc pod uwagę liczne postępy w tej dziedzinie dokonane przez chińskie laboratoria w ostatnich latach, tylko głupiec postawiłby na to, że chińska technologia odegra znaczącą rolę w sposobie komunikacji kwantowej w przyszłości.

Nr ref.: http://arxiv.org/abs/1305.2675 : Kwantowa pamięć obrazu na poziomie pojedynczego fotonu oparta na zespołach zimnych atomów

ukryć