Spontana parametarska konverzija na niže (SPDC) i spontano četvorotalasno mešanje su moćni nelinearni optički procesi koji mogu proizvesti višefotonske snopove svetlosti sa jedinstvenim kvantnim svojstvima. Ovi procesi bi se mogli iskoristiti za stvaranje različitih kvantnih tehnologija, uključujući računarske procesore i senzore koji koriste kvantnomehaničke efekte.
Istraživači iz Nacionalnog istraživačkog saveta Kanade i Ecole Politechnikue de Montreal nedavno su sproveli studiju posmatrajući efekte koji se pojavljuju u SPDC procesu. Njihov rad, objavljen u Phisical Reviev Letters, izveštava o posmatranju grupnog kašnjenja izazvanog pojačanjem u višefotonskim impulsima generisanim u SPDC.
„Inspiracija za ovaj rad došla je od proučavanja procesa zvanog SPDC“, rekao je Nicolas Kuesada, stariji autor rada, za Phis.org. „Ovo je puna usta reći da su određeni materijali u stanju da uzmu ljubičasti foton (od kojih je napravljena svetlost čestica) i transformišu ga u dva crvena fotona.
„Ovo je super svestran fenomen koji omogućava fizičarima da generišu svetlost sa zanimljivim korelacijama, pošto se dva ‘ćerka’ crvena fotona rađaju u isto vreme i treba da imaju tačno energiju i zamah svog ‘majčinog’ ljubičastog fotona.“
Tokom proteklih decenija, SPDC je bio u fokusu brojnih studija fizike. Do sada je ovaj proces prvenstveno proučavan u određenom režimu, gde su istraživači pretvarali jedan ljubičasti foton u dva crvena fotona otprilike jednom od 100 puta tokom svakog eksperimentalnog ciklusa.
„Tokom mog doktorata, proučavao sam šta se dešava kada verovatnoća stvaranja dva ćerka fotona počne da se približava jedinstvu, a zatim, nakon ove tačke, kada napravite više od para fotona za svako pokretanje eksperimenta“, rekao je Kesada.
„Otkrili smo da boja u kojoj se rađaju ćerki fotoni počinje blago da se menja i, štaviše, da se menja i efikasnost procesa (koliko se ‘crvenih’ fotona rađa po ‘ljubičastom’ fotonu).
Kada je Kesada prvi put počeo da istražuje mogućnost stvaranja dva ili više ćerki fotona za svaki eksperimentalni ciklus, on još nije identifikovao načine da to eksperimentalno izmeri. Ove godine je, međutim, njegov kolega Guillaume Thekkadath primetio da bi se male promene u boji mogle odraziti i na različita vremena dolaska fotona ćerke, jer se od jedva pravi par do pravi mnogo parova.
„Uočili smo da je povećanje broja fotona generisanih SPDC procesom izazvalo pomak u vremenu dolaska dva ćerka fotona“, objasnio je Thekkadath.
„Da bismo istražili ovaj efekat, napravili smo dve ključne modifikacije konvencionalne SPDC eksperimentalne postavke. Prvo smo koristili laser velike snage sposoban da isporuči ultrakratke (femtosekundne) impulse, kompresujući njegovu energiju u ekstremno kratke rafale. Ovi impulsi su dodatno pojačani na postići visoke intenzitete neophodne za generisanje više parova ćerki fotona u SPDC kristalu. Drugo, primenili smo tehniku zvanu ‘spektralna interferometrija“ za merenje vremena dolaska fotona sa velikom preciznošću.“
Thekkadath, Kuesada i njihove kolege su propuštali fotone koje je generisao njihov laser velike snage kroz optičko vlakno dugo nekoliko kilometara, koje je vremenski razvuklo fotonski puls. Nakon toga, koristili su detektore superprovodne nanožice, visoko osetljive uređaje koji mogu da detektuju pojedinačne fotone sa izuzetnim vremenskim rezolucijama, da snime vreme dolaska fotona.
Otkrijte najnovije u nauci, tehnologiji i prostoru sa preko 100.000 pretplatnika koji se oslanjaju na Phis.org za dnevne uvide.
Prijavite se za naš besplatni bilten i dobijajte novosti o otkrićima,
inovacije i istraživanja koja su važna – dnevno ili nedeljno.
Rezultati koje su prikupili potvrdili su prisustvo grupnog kašnjenja izazvanog pojačanjem između višefotonskih impulsa generisanih u njihovom SPDC izvoru. Ovo zapažanje bi moglo imati važne implikacije za budući razvoj uređaja koji koriste kvantne smetnje.
„Naši rezultati ukazuju na to da treba biti posebno oprezan kada ometamo svetlost koja dolazi iz SPDC izvora koji proizvode parove fotona pri različitim osvetljenostima (koji proizvode različit broj parova, u proseku)“, rekao je Kesada.
„Ako neko nije oprezan i ako fotoni iz dva različita izvora stignu do interferometra u različito vreme, oni nisu u stanju da izvedu kvantno mehanički podvig poznat kao interferencija Hong-Ou-Mandel. Ova interferencija je ona koja dozvoljava kvantnim računarima napravljenim od svetlosti da nadmaši mogućnosti klasičnih računara“.
Jedan od koautora ovog nedavnog rada, Martin Houde, nedavno je pokušavao da dizajnira bolje SPDC izvore u kojima fotoni izlaze istovremeno, bez obzira na osvetljenost emitovanih laserskih impulsa. Kesada i njegove kolege sa Ecole Politechnikue de Montreal takođe pokušavaju da utvrde kako različita vremena dolaska fotona, koja bi mogla biti izvor greške, utiču na funkcionisanje fotonskih kvantnih računara.
„Naš SPDC izvor je bio relativno ‘svetao’, stvarajući stotine ćerki fotonskih parova u poređenju sa većinom izvora, koji obično proizvode samo jedan par“, dodao je Thekkadath.
„Međutim, mnogi od ovih fotona su izgubljeni pre nego što su stigli do optičkog detektora. Ovi gubici nastaju iz različitih razloga, kao što su refleksije od optičkih elemenata kao što su sočiva ili nepotpuno hvatanje optičkih vlakana. Gubitak jednog fotona iz para je problematičan jer remeti kvantne korelacije neophodne za tehnologije kao što su kvantno poboljšani senzori.“
Kao deo svojih narednih studija, Thekkadath i njegove kolege u Nacionalnom istraživačkom savetu Kanade pokušavaju da osmisle strategije za smanjenje optičkih gubitaka u kvantnim uređajima. Pored toga, oni pokušavaju da utvrde kako bi se izvori fotonskih parova koje su ispitivali mogli iskoristiti za kvantno sensing i računarstvo, bez obzira na sve povezane gubitke fotona.
