Новый «оптический диод» работает с отдельными фотонами

Устройства, пропускающие свет только в одном направлении, называют оптическими изоляторами. «В принципе, такие компоненты известны уже давно, — поясняет Арно Раушенбейтель (Arno Rauschenbeutel), сотрудник Центра квантовых наук Венского технического университета (TU Wien). — Но большинство оптических изоляторов до сих пор базируются на эффекте Фарадея: сильным магнитным полем воздействовуют на прозрачный материал между двух перпендикулярно ориентированных поляризационных фильтров. Направление магнитного поля определяет куда может проходить свет».

Технические ограничения не позволяют создавать наноустройства на базе эффекта Фарадея, что делает неосуществимыми многие интересные приложения оптических изоляторов. Прочие методы нарушения симметрии нуждаются в полях очень высокой интенсивности, что противоречит задачам нанотехнологий, призванных работать с как можно более слабыми сигналами, вплоть до индивидуальных фотонов.

В статье, вышедшей в журнале Physical Review X, команда TU Wien продемонстрировала концептуально новый нанофотонный оптический изолятор, не требующий магнитного поля. В нем используется свойство хиральности, приобретаемое светом при распространении по оптоволокну с диаметром меньше длины волны. В этом случае ориентация спина фотона зависит от направления его движения по волноводу.

На суженном до нанометрового масштаба участке оптоволокна ученые разместили охлажденные лазером атомы, квантовые состояния которых позволяли им поглощать фотоны только с положительным, но не с отрицательным спином.

Авторы продемонстрировали для такого устройства хорошую изоляцию и низкие потери как в случае многих (до 30) слабосвязанных атомов, так и всего одного, но с сильной связью (свет удерживался в оптическом микрорезонаторе и взаимодействовал с атомом рубидия относительно долго).

Поскольку многие квантовые приложения нуждаются в инфраструктуре, пригодной для работы с индивидуальными фотонами, создание данного интегрированного изолятора знаменует важный шаг на пути к глобальной волоконной квантовой сети.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI