Αποθηκευμένα φωτόνια αλληλεπιδρούν μέσα σε ένα ατομικό νέφος.

Αποθήκευση και χειρισμός φωτονίων

Φυσικοί στο Ηνωμένο Βασίλειο έχουν καταλήξει σε ένα νέο τρόπο για την αποθήκευση ελάχιστων φωτονίων σε ένα υπέρψυχρο ατομικό αέριο, στο οποίο ισχυρές αλληλεπιδράσεις μεταξύ γειτονικών φωτονίων μπορούν να ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται με τη χρήση μικροκυμάτων. Η ομάδα πιστεύει ότι η τεχνική αυτή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί...

για τη δημιουργία οπτικών λογικών πυλών στις οποίες θα μπορούν να επεξεργαστούν μεμονωμένα φωτόνια ένα κάθε φορά. Η μέθοδος αυτή θα μπορούσε επίσης να αποδειχθεί χρήσιμη για τη σύνδεση των κβαντικών υπολογιστών, που βασίζονται σε διαφορετικές τεχνολογίες.

Οπτικά φωτόνια κάνουν πολύ καλά "ιπτάμενα" κβαντικά bits (qubits), επειδή μπορούν να ταξιδέψουν εκατοντάδες χιλιόμετρα μέσα από ίνες χωρίς να χάνουν την κβαντική πληροφορία τους. Ωστόσο, είναι πολύ δύσκολο να πάρουμε τέτοια φωτόνια που θα αλληλεπιδρούν είτε το ένα με τ' άλλο ή με τα "στατικά" qubits όπως εκείνα που βασίζονται σε παγιδευμένα ιόντα ή μικροσκοπικά κομμάτια υπεραγωγού. Η ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ τέτοιων κβαντικών συσκευών μπορεί ως εκ τούτου να είναι δύσκολη.

Ο Charles Adams και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο του Durham τείνει τώρα να καταλήξει σε ένα τρόπο αποθήκευσης ατομικών οπτικών φωτονίων σε πολύ διεγερμένες καταστάσεις ενός ατομικού αερίου. Μόλις αποθηκευτούν, τα φωτόνια μπορεί να γίνει ισχυρή αλληλεπίδραση, προτού  πάλι να απελευθερωθούν. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό της τεχνικής αυτής είναι ότι χρησιμοποιεί μικροκύματα, τα οποία χρησιμοποιούνται επίσης για τον έλεγχο ορισμένων τύπων σταθερών qubit.

Πολαριτόνια Rydberg

Το πείραμα Durham περιλαμβάνει το κράτημα έως 100 ατόμων ρουβιδίου σε μια οπτική παγίδα που δημιουργείται στην εστίαση μιας δέσμης λέιζερ, πριν οι δύο παλμοί φωτός εκτοξευτούν στα παγιδευμένα άτομα.Ο ένας παλμός είναι "σήμα" φωτός που πρόκειται να αποθηκευτεί και ο άλλος παλμός είναι φως "ελέγχου". Το φως ελέγχου επιτρέπει σε 10 ή σε γειτονικά άτομα ρουβιδίου να απορροφήσουν ένα φωτόνιο σήματος, δημιουργώντας μια συλλογική κατάσταση που ονομάζεται "Rydberg polariton". Μια τέτοια κατάσταση είναι παρόμοια με εκείνη ενός ατόμου Rydberg, η οποία έχει ένα ηλεκτρόνιο σε μια εξαιρετικά διεγερμένη κατάσταση - στην περίπτωση αυτή, με έναν κύριο κβαντικό αριθμό 60.

Όταν ο παλμός ελέγχου είναι απενεργοποιημένος, το φωτόνιο παραμένει «αποθηκευμένο» σε κατάσταση πολαριτονίου  Rydberg για χρονικό διάστημα μέχρι και 1 μικροδευτερόλεπτο. Αλλά αν η λυχνία ελέγχου ενεργοποιηθεί και πάλι, το πολαριτόνιο Rydberg μετατρέπεται πάλι σε φως εκπέμποντας εκ νέου το φωτόνιο που είχε πάρει.

Ο Adams είπε στο physicsworld.com ότι η ομάδα χρησιμοποίησε το πολαριτόνιο Rydberg - και όχι άτομα Rydberg - επειδή υπάρχει ισχυρή σύζευξη μεταξύ ενός φωτονίου και ενός πολαριτόνιου Rydberg. Αυτό συμβαίνει επειδή το πολαριτόνιο περιέχει πολλά άτομα και όχι μόνο ένα. Συνεπώς, είναι πολύ πιο πιθανό ότι τα φωτόνια θα συλλαμβάνονται και αποθηκεύονται στο στήσιμο τους. Ένα άλλο όφελος από ένα πολαριτόνιο Rydberg θα απορροφήσει μόνο ένα φωτόνιο - και όχι περισσότερα.

Μικρο-σφαίρες στη σειρά

Κάθε πολαριτόνιο Rydberg μπορεί να θεωρηθεί ως μια σφαίρα διαμέτρου 7 μm. Το ατομικό σύννεφο, εν τω μεταξύ, είναι μόνο περίπου 30 μm σε μήκος και έχει μια διάμετρο περίπου 6 μm - πράγμα που σημαίνει ότι περιέχει μία γραμμή περίπου τριών πολαριτονίων Rydberg σε μια σειρά. Στην πράξη, ωστόσο, δεν θα περιέχουν όλα αυτά τα polaritons ένα φωτόνιο και τα φωτόνια είναι σε θέση να πηδούν μεταξύ των πολαριτονίων. Ο Adams εξηγεί ότι σε αυτή την περίπτωση, τα φωτόνια μπορούν να χαθούν και, επομένως, δεν θα ανακτηθούν όταν ο παλμός ελέγχου ενεργοποιείται και πάλι.

Ωστόσο, εάν εφαρμοστεί στο ατομικό νέφος ένα σήμα μικροκυμάτων δημιουργεί μια αλληλεπίδραση μεταξύ γειτονικών πολαριτονίων που αποτρέπει την υπερπήδηση από την εμφάνιση - και επομένως τα φωτόνια δεν χάνονται αλλά ανακτώνται όταν ο παλμός ελέγχου ενεργοποιείται και πάλι.

Το επόμενο βήμα, οι λογικές πύλες

Η ομάδα πιστεύει ότι αυτή η ικανότητα να ελέγχουν αλληλεπιδράσεις μεταξύ γειτονικών πολαριτονίων θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία λογικών πυλών για μεμονωμένα φωτόνια. Αντί να κάνουμε τρία πολαριτόνια σε μια σειρά, αυτό θα μπορούσε να συνεπάγεται την πραγματοποίηση μιας διασταύρωσης σχήματος Υ στην οποία η έξοδος του ενός πολαριτονίου θα προσδιορίζεται από την παρουσία ή απουσία των φωτονίων στα άλλα δύο πολαριτόνια.

Σύμφωνα με τον Adams, αυτό θα απαιτούσε το στήσιμο ενός νέου πειράματος με δύο εστιασμένες ακτίνες λέιζερ και ένα μεγαλύτερο ατομικό νέφος -κάτι που η ομάδα προσπαθεί να δημιουργήσει.

Ο Alex Kuzmich του Georgia Institute of Technology των ΗΠΑ λέει ότι η ικανότητα της ομάδας Durham να δημιουργήσει ισχυρές αλληλεπιδράσεις μεταξύ μεμονωμένων φωτονίων κάνει στο έργο "μια σημαντική πρόοδο". Επίσης προσθέτει ότι η έρευνα "ανοίγει νέους δρόμους στην πορεία προς την υλοποίηση της κβαντικής λογικής για τα φωτόνια".

Πηγή, physicsworld

Απόδοση, Δ. Γιάκας