Da bi izgradili kvantne tehnologije zasnovane na svetlosti, naučnicima i inženjerima je potrebna sposobnost da generišu i manipulišu fotonima kao pojedincima ili nekoliko odjednom. Da bi se napravile takve kvantne fotonske logičke kapije koje bi se mogle koristiti u optičkom kvantnom računaru potreban je poseban medijum koji omogućava snažne i kontrolisane interakcije samo nekoliko fotona.
Jedan od načina da se to uradi, iako težak, je sa „jednodimenzionalnim atomom“, uređajem koji emituje fotone na osnovu unosa određenih fotonskih stanja — pojedinačni fotoni, parovi fotona, trojke fotona, itd. Ukratko, prosijavač fotona.
Stvaranje jednodimenzionalnog atoma – njegova jednodimenzionalna linija je linija na kojoj dolazi foton – nije lako. Mora da komunicira sa dolaznim fotonom u suštini 100% vremena, da bude bez šuma i dekoherencije, gde je jednodimenzionalni atom poremećen fotonom i lokalnom okolinom atoma.
Korišćeni su ansambli atoma, koji zajedno deluju kao superatom, ili emiter u talasovodu. Drugu mogućnost pruža kvantna elektrodinamika šupljine — jedan emiter ugrađen u mikrošupljinu. Ugrađeni emiter mogu biti atomi, joni, molekuli ili kvantne tačke koje se ponašaju kao atomi.
Istraživački tim iz Švajcarske i Nemačke, predvođen Ričardom Varburtonom sa Univerziteta u Bazelu, napravio je takvu fotonsku kapiju koristeći kvantne tačke, a njihovo istraživanje je objavljeno u časopisu Physical Review Letters.
Napravljene od poluprovodničkih nanokristala, kvantne tačke su objekti nanometarske veličine čija su optička i elektronska svojstva regulisana pravilima kvantne mehanike. Ova konkretna kvantna tačka bila je široka 20 nanometara i bila je ugrađena između dva reflektujuća zida optičke šupljine, efektivno stvarajući jednodimenzionalni atom, i pozicionirana je na uređaju koji omogućava kontrolu i promenu dužine šupljine.
Slaba laserska svetlost sastavljena od fotonskih stanja koja su jedan foton ili više fotona ulazi u šupljinu sa vrha i udara u kvantnu tačku. Kvantna tačka ga apsorbuje ako tačka ima razliku u nivoima energije koja odgovara energiji fotona. U tom slučaju, tačka tada emituje foton te energije koji se odbija od vrha.
Ali ako se dolazno stanje fotona sa vrha sastoji od dva ili više fotona, interakcija tog stanja sa kvantnom tačkom se menja i menja se polarizacija (smer njenog električnog polja) odlaznog stanja. Sa polarizacionim filterom („razdelnikom snopa“) postavljenim na vrhu tačke, reflektovani pojedinačni emitovani fotoni prolaze u jednom pravcu (port 1), a reflektovana višefotonska stanja se reflektuju u drugom pravcu (port 2).
Dolazni snop je na taj način podeljen na jedno- i višefotonska stanja. Izvor koji se sastoji od nekoliko različitih fotonskih stanja rezultira jednim snopom fotona koji se može koristiti za kvantne tehnologije, optička kompjuterska kola ili za druge aplikacije. Uređaj deluje kao ogledalo za pojedinačne fotone.
U svom eksperimentu, grupa je otkrila da je 99,2% dolaznog snopa bilo podeljeno u višefotonska stanja, ostavljajući čiste pojedinačne fotone, što pokazuje visoku efikasnost interakcije kvantne tačke i optičke šupljine. Merenje takozvane korelacione funkcije drugog reda — mere grupisanja fotona, što je mera nelinearnosti — rezultiralo je vrednošću od 587.
Istraživači pišu: „Prema našim saznanjima, ovo je najveće grupisanje fotona zbog nelinearnosti uočene do sada.“ Prethodna najbolja vrednost iz drugih eksperimentalnih podešavanja bila je 20.
Konfiguracija šupljine omogućava podešavanje i manipulisanje emitovanom svetlošću, pomeranjem kvantne tačke u odnosu na optičku šupljinu bez spoljnih promena u podešavanju. Ovo menja vezu između tačke i šupljine; snažno grupisanje prenetih fotona se zapravo može promeniti u anti-grupiranje.
„Kvantna tačka se ponaša radikalno drugačije u zavisnosti od broja fotona“, pišu oni. „Ovo dovodi do ogromnog skupljanja, jer se prenose samo multifotonska stanja.“
Diskriminacija između posmatranih brojeva fotona omogućava interakcije na nivou jednog fotona. Ovi rezultati mogu dovesti do korisnog stvaranja fotonskih vezanih stanja, sa dva ili više fotona koji se drže blisko zajedno. Fotoni obično ne stupaju u interakciju jedni sa drugima, što je korisno svojstvo za komunikaciju optičkim vlaknima. Ali interakcije između fotona su poželjne za neke aplikacije, kao što su klasična i kvantna obrada informacija, ali je potreban veoma nelinearan medijum, kao što je ovde razvijen.
Takvi nelinearni fotonski procesi se već koriste u aplikacijama kao što su pretvaranje frekvencije fotona, pojačanje svetlosti i detekcija svetlosti. Ostala egzotična fotonska stanja koja generiše ovaj uređaj mogu se pokazati korisnima u razumevanju mnogih telesnih fenomena u kontrolisanom okruženju.
