Созданы одиночные фотоны для квантовой обработки информации

Созданы одиночные фотоны для квантовой обработки информации

Используя лазеры, чтобы извлечь всего один атом из облака ультрахолодного газа рубидия, физики разработали новый, быстрый и эффективный способ по созданию одиночных фотонов, которые в дальнейшем могут быть использованы в квантово-оптической обработке информации, изучении динамики и разбора беспорядка в определённых физических системах, сообщает «WordScience.org».

Методика использует уникальные свойства атомов, которые имеют один или несколько электронов, возбуждённых почти до состояния ионизации, известное как ридберговское состояние. Атомы в этом очень возбуждённом состоянии (с главным квантовым числом более 70-ти) имеют преувеличенные электромагнитные свойства и сильно взаимодействуют друг с другом. Это позволяет ридберговским атомам блокировать образование дополнительных возбуждённых атомов в районе от 10 до 20 микрон.

Этот один ридберговский атом может быть преобразован в фотон, гарантируя, что в среднем только один фотон будет произведён из облака рубидия, содержащего сотни плотно упакованных атомов. Надёжное производство одного фотона с хорошо известными свойствами важно для нескольких областей исследования, в том числе систем квантовой информации.

Новый метод должен был быть представлен 19-го апреля 2012-го года в «Science Express», интернет-издание журнала «Science». Данная работа была выполнена при поддержке Национального научного фонда (National Science Foundation — NSF) и «Air Force Office of Scientific Research» (AFOSR).

«Мы в состоянии преобразовать возбуждённые атомы в одиночные фотоны с очень существенной эффективностью, что позволяет нам создать такое структуру, в которой мы нуждаемся», — пояснил Алексей Кузьмич, профессор из «School of Physics at the Georgia Institute of Technology». «Эта новая система предлагает плодородную область для расследования запутанных состояний атомов, спиновых волн и фотонов. Мы надеемся, что это первый шаг к выполнению гораздо больших возможностей в этой системе».

Кузьмич и соавтор Ярослав Дудин — научный сотрудник, изучали квантовые информационные системы, которые полагаются на отображение информации из атомов на запутанные пары фотонов. Но, техника комбинационного рассеяния, которую они использовали для создания фотонов оказалась неэффективной и не обеспечила таким количеством запутанных фотонов, которое необходимо для сложных систем.

«Этот новый источник фотонов примерно в тысячу раз быстрее, чем существующие системы», — сказал Дудин. «Для нашей первой экспериментальной реализации эти показатели невероятно хороши».

Для создания ридберговских атомов, исследователи использовали лазеры, чтобы осветить плотную группу из нескольких сотен атомов рубидия-87, которые были охлаждены лазером и заключены в оптической решётке. Освещение активизировало один атом из всего облака в состояние Ридберга. Атомы, возбуждённые до ридберговского состояния сильно взаимодействуют с другими ридберговскими атомами и при подходящих условиях изменяют уровень атомной энергии, тем самым препятствуя переходу в это состояние, более одного атома — явление, известное как блокада ридберговских атомов.

Ридберговские атомы показывают сильное взаимодействие в пределах от 10 до 20 микрон. Ограничивая группу атомов рубидия примерно на такое же расстояние, Кузьмич и Дудин смогли гарантировать, что будет сформирован не более, чем один атом.

«Ридберговские атомы нуждается в свободном пространстве вокруг себя и не позволяют другим ридберговским атомам находиться рядом», — объяснил Дудин. «Наша группа имеет ограниченный объём, поэтому мы не могли вместить в пространство более одного атома».

Кузьмич и Дудин уже используют ридберговские атомы с главным квантовым числом около 100. Эти атомы намного больше (на целых полтора микрона в диаметре), чем атомы рубидия со стандартным состоянием, которые имеют квантовое число 5 и диаметр в несколько ангстрем.

После того, как был создан сильно возбуждённый атом, исследователи использовали дополнительное лазерное поле для преобразования возбуждения в квантовой свет, который имеет те же статистические свойства, что и возбуждение. Так как поле было произведено из одного ридберговского атома, в нём содержится только один фотон, который может быть использован в различных протоколах.

Группа «Georgia Tech» задалась следующей целью по развитию квантовых ворот между световыми полями. Предложенное и проводимое многими исследовательскими группами квантовое стробирование фотонов, пока было безуспешным.

«Если это будет реализовано, квантовые ворота позволят нам детерминировано создавать сложные запутанные состояния атомов и света, который привносит ценные возможности в область квантовых сетей и вычислительной техники», — сказал Кузьмич.

Помимо систем квантовой информации, новая однофотонная система также может помочь учёным в исследовании других областей физики.

«Наши результаты также перспективны в исследованиях динамики и беспорядка в системах многих тел с изменчивым взаимодействием», — объяснил Кузьмич. «Нарушение поступательной симметрии, фазовые переходы и неравновесная физика многих тел могут быть исследованы в будущем с использованием сильно связанных, возбуждённых до ридберговского состояния атомов газа».

«Air Force Office of Scientific Research Multidisciplinary University Research Initiative» (MURI) недавно была присуждена консорциуму из семи университетов США, которые будут работать вместе, чтобы определить наилучший подход для создания квантовой памяти, основанной на взаимодействии между светом и веществом.

«Этой работой мы продемонстрировали новый, детерминированный источник одиночных фотонов», — сказал Кузьмич. «В своей экспериментальной реализации, она уже выигрывает у других видов одиночных фотонов, которые преследовали в течение последнего десятилетия. С дальнейшим повышением эффективности, скорости генерации и интеграции с долговечной квантовой памятью, такой однофотонный источник может сделать возможной квантово-оптическую обработку информации».

Источник: wordscience.org

Похожие новости:
Ученые: данные будут передавать на одном фотоне
Исследовательская группа из Университета Альберты работает над инновационной технологией оптической передачи информации с помощью одного фотона.Сегодня передача информации, например текста, аудио или видео, может осуществляться с помощью лазерного луча, который отправляет миллиарды фотонов по волоконно-оптическому кабелю. ..
2011-11-6 2154 0 Технология
0
Светодиоды научились излучать запутанный свет
Физики из Университета Торонто разработали схему работы светодиодов, которые за счет дополнительного сверхпроводящего слоя излучают запутанные фотоны. Работа опубликована в журнале Physical Review B, ее препринт можно найти в arxiv.org, кратко содержание статьи приводится на сайте университета. Обычные ..
2014-03-21 1559 0 Технология
0
Новый метод повысит мощность солнечных батарей
Команда исследователей из Имперского колледжа в Лондоне обнаружила, что если разместить множество цилиндрических алюминиевых шипов на вершине солнечных батарей, то это может значительно повысить количество света, которое будет захватываться поглощающем слоем солнечных батарей, что повысит их мощность больше ..
2013-10-24 2364 0 Технология
1
Ученые создали свет из вакуума
Ученым из Технического университета Чалмерса (Швеция) удалось создать свет из вакуума. Существование этого эффекта было предсказано более 40 лет назад. Полученные результаты будут опубликованы в журнале Nature. В ходе эксперимента, ученым удалось захватить фотоны, которые беспрерывно ..
2011-11-21 2560 0 Технология
0
Новый способ повысит эффективность солнечных батарей
Исследователи из института телекоммуникаций Фраунгофера разработали систему, которая позволяет солнечным элементам эффективно собирать энергию от инфракрасного спектра. Новая технология,которая обещает хорошую работоспособность с коммерческими солнечными батареями существующими сейчас в продаже и в будущем имеет потенциал стать ..
2012-10-13 2398 0 Технология
0
Физики научились получать 99-процентный спирт с помощью лазера
Американские ученые продемонстрировали новый способ дистилляции спирта — с помощью света. Он требует меньше энергии, чем дистилляция с помощью нагрева, и дает спирт большей крепости (до 99 процентов). Об этом сообщается в журнале ACS Nano, а коротко о новом методе рассказывает Scientific American.Наоми ..
2015-11-28 7507 0 Технология
0
Графен помог физикам смешать фотоны
Физики создали преобразователь света на основе графена.Статья ученых появилась в Nature Photonics. Основой для нового устройства стал фотонный кристалл. Этим термином в физике называется среда, которая характеризуется периодическим изменением показателя преломления. Такую среду можно получить, ..
2012-07-16 1442 0 Технология
0
Графен может усиливать энергию света
Ученые их испанского Института фотоники и Массачусетского технологического института (США) обнаружили, что графен при поглощении одиночного фотона преобразует его сразу в несколько электронов. В большинстве материалов при поглощении одного фотона вырабатывается лишь один электрон. Графен, следовательно, способен стать ..
2013-03-1 2015 0 Технология
0
Состоялся первый сеанс трансконтинентальной спутниковой квантовой связи
29 сентября президенты Австрийской и Китайской академии наук провели первый сеанс трансконтинентальной связи, ключ шифрования для которой был распределен с помощью методов квантовой криптографии. Эксперимент установил новый рекорд дальности квантовой связи — свыше 7400 километров (расстояние ..
2017-10-09 9722 0 Технология
0
Создан первый микроскоп на запутанных фотонах
Ученые из университетов Осаки и Хоккайдо разработали метод световой микроскопии, который использует запутанные фотоны для придания большей контрастности изображению. По словам физиков, точность нового метода на 30 процентов превышает стандартный квантовый предел четкости для обычных фотонов. Исследование ..
2014-02-11 1639 4 Технология
0
ДНК и нанотрубки объединили для «опознания» одиночных белков
Материаловеды из Гарварда, Массачусетского технологического института и Университета Калифорнии разработали сенсор, способный обнаружить выделение одиночные молекулы белка, выделяемые микроорганизмами. В его основе лежит «лес» из углеродных нанотрубок, связанных с ДНК-аптамерами. Ученые надеются, что устройство поможет исследовать коммуникацию между бактериями — обмен сигнальными молекулами, ..
2017-01-25 7801 0 Технология
0
Гонка космической квантовой связи набирает обороты
Китайский спутник, получивший задание реализовать в космосе не что-нибудь, а квантовую связь, планируется к запуску уже в 2016 году — раньше, чем остальные нации всерьёз задумались над проблемой. Теперь же Цзяньвэй Пань (Jian-Wei Pan) из Научно-технического университета в Шанхае (КНР) и несколько его коллег ..
2013-06-12 1676 0 Технология
0
Британские ученые создали не отражающий свет материал
Британские ученые создали материал, почти полностью поглощающий падающий на него свет, сообщает Independent. Данный материал отражает всего 0,035% оказавшегося на его поверхности света, что, по словам разработчиков, в настоящее время является абсолютным рекордом для материала, созданного человеком, ..
2014-07-16 3321 0 Технология
0
Квантовую механику приспособили для защиты кредитных карт
Группа нидерландских ученых воспользовалась принципами квантовой механики для создания практически неуязвимого для злоумышленников метода аутентификации ключа на кредитных картах. «Квантово-безопасная идентификация» позволяет опознать настоящего владельца объекта, даже если ключевая информация (о структуре карты, например) ..
2014-12-16 6626 0 Технология
1
Электрический выключатель из одной молекулы проработал год
Химики из Китая, США и Израиля создали рекордно устойчивый мономолекулярный электрический переключатель — он способен функционировать на протяжении года. Для того, чтобы включить или выключить его требуется лишь посветить на него светом определенной длины волны. Независимые эксперты отмечают, что стабильность, которой ..
2016-06-18 1486 0 Технология
0