Źródło „strojonych” fotonów

Amerykańscy fizycy stworzyli urządzenie zdolne do emisji pojedynczych fotonów o ściśle określonym kształcie i kolorze. To kolejny ważny krok w rozwoju informatyki oraz kryptografii kwantowej.

Pojedyncze fotony – źródło informacji kwantowej

Zgodnie z teorią informatyka kwantowa wykorzystuje podstawowe prawa fizyki kwantowej do przetwarzania obliczeń, w czasie znacznie krótszym niż czas wykonywania analogicznych operacji przez współczesne komputery. Kryptografia kwantowa korzysta z tych samych praw, aby zapobiegać podsłuchiwaniu informacji przesyłanych między nadawcą a odbiorcą. Jednym z najlepszych mediów służących przesyłaniu informacji kwantowej są pojedyncze fotony. Ich użycie jest jednak narażone na pewne praktyczne trudności. Przesyłanie informacji kwantowych na dużych odległościach wymaga stosowania światłowodów telekomunikacyjnych, które najwydajniej działają w zakresie podczerwieni. Urządzenia służące do przechowywania informacji kwantowej nazywane potocznie pamięciami kwantowymi „preferują” natomiast fotony z obszaru widzialnego. W rezultacie, naukowcy podjęli usilne starania, aby stworzyć urządzenie, które będzie przekształcać fotony o krótszych długościach fal, wykorzystywanych w telekomunikacji, na fotony o dłuższych długościach fal, które będą „kompatybilne” z pamięciami kwantowymi.

W przeciągu kilku ostatnich lat wiele grup badawczych próbowało manipulować, niestety bez efektu, kształtem oraz długością fali pojedynczego fotonu. Całkiem niedawno udało się to osiągnąć grupie Matthew Rakhera z National Institute of Standards and Technology (NIST) w Gaithersburg (USA). „Nasza praca dostarcza sposobu manipulowania kształtem oraz długością fali pojedynczych fotonów, aby mogły być one z powodzeniem wykorzystywane zarówno w systemach łączności, jak i w układach magazynujących informację”, powiedział Rakher.

Kropki kwantowe – źródło pojedynczych fotonów

W eksperymencie przeprowadzonym przez grupę Rakhera źródłem pojedynczych fotonów były półprzewodnikowe kropki kwantowe (ang. quantum dot), które często ze względu na swoje właściwości fizyczne określane są mianem sztucznych atomów. Kropki kwantowe podobnie jak atomy pierwiastków posiadają dyskretne poziomy energetyczne i dlatego też są zdolne do emisji światła o ściśle określonej wartości energii.

Fotony z obszaru podczerwieni (λ ~ 1300 nm) emitowane przez pojedyncze kropki kwantowe były, przy użyciu światłowodów, kierowane na specjalny kryształ, gdzie ulegały „łączeniu” z impulsami laserowymi o długości fali λ ~ 1550 nm. Proces ten znany jako konwersja częstotliwości umożliwił wygenerowanie fotonów o długości fali równej 710 nanometrów. Co ciekawe, fotony te przyjęły kształt fotonów pochodzących z impulsowego lasera.

Wolfgang Lange z University of Sussex (Wielka Brytania) pochwalił wyniki uzyskane przez naukowców z NIST. Zaznaczył jednak, że zostało jeszcze wiele pracy do zrobienia. „W szczególności należy zwiększyć wydajność źródła pojedynczych fotonów”, powiedział. „Ale (jego zademonstrowanie) jest bardzo ważnym krokiem na drodze do osiągnięcia doskonałego źródła pojedynczych fotonów, wypełniającego lukę pomiędzy kropkami kwantowymi i urządzeniami służącymi do przesyłania, przetwarzania i przechowywania informacji kwantowej”.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com