Оптический транзистор управляется одним фотоном

В Институте квантовой оптики Макса Планка (Германия) разработан вариант оптического транзистора на основе облака из 150 тыс. атомов рубидия, охлажденных до температуры всего на 0,3 микроградуса выше абсолютного нуля. Коллектив под руководством директора института, профессора Герхарда Ремпе (Gerhard Rempe), наблюдал 20-кратное усиление с его помощью вариаций сигналов однофотонного уровня.

Входящим сигналом для этого оптического транзистора является очень слабый «стробирующий» световой импульс, который изменяет прозрачность среды для второго — целевого — импульса.

Облако атомов, удерживаемое несколько секунд в дипольной ловушке на пересечении двух лазерных лучей, облучалось парой импульсов света одной длины волны (795 нм), разделенных промежутком в две микросекунды. Первый, стробирующий импульс был очень слабым и содержал в среднем менее одного фотона. Действуя в комбинации с управляющим лазером (эффект электромагнитно индуцированной прозрачности, «electromagnetically induced transparency», EIT) он переводил один из атомов в возбужденное состояние Ридберга. Из-за этого энергетические уровни всех остальных атомов облака немного смещались и, как результат, второй, целевой импульс уже не соответствовал по цвету условиям EIT и, как следствие, блокировался атомами рубидия.

В исследовании, представленном в статье для Physical Review Letters, использовались контрольные лазеры с разными длинами волн, а эффект блокады Ридберга дополнительно усиливался так называемым резонансом Ферстера. Эти меры позволили увеличить продолжительность целевого импульса на два порядка величины — примерно до 200 микросекунд.

Сравнивая выходящие целевые импульсы при наличии и отсутствии предшествующего стробирующего однофотонного импульса, авторы в случае ферстеровского резонанса зарегистрировали снижение интенсивности на 20 фотонов.

Этот эффект, по их мнению, делает возможным, по крайней мере в принципе, построение из таких транзисторов каскадов, предназначенных для решения сложных вычислительных задач.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365