Продемонстрировано сильное взаимодействие двух фотонов в оптоволокне

Взаимодействие между фотонами хотя и труднодостижимо на практике, но является важным условием реализации приложений квантовой технологии — надежных коммуникаций и оптических логических вентилей.

В Венском технологическом университете (TU Wien), ученые смогли заставить световые частицы интенсивно взаимодействовать, поместив их в сверхтонкое оптоволокно. Результаты эксперимента представлены в журнале Nature Photonics и открывают новые возможности для развития квантовой оптики.

Обычно, нелинейные эффекты, ответственные за непрямое взаимодействие фотонов, вступают в силу только при большой интенсивности света, но предложенная австрийскими физиками система позволяет использовать всего два фотона. При этом сила их связи настолько значительна, что приводит к изменению фазы на 180°. Профессор Института атомной и субатомной физики TU Wien, Арно Раушенбейтель (Arno Rauschenbeutel) поясняя это, приводит пример маятника, который в крайнем положении вместо того, чтобы качнуться влево, под действием второго маятника качается вправо. «Мы получили предельно сильное взаимодействие при минимально возможной интенсивности света», — подчеркнул он.

В экспериментальной установке сверхтонкое стеклянное волокно соединено со световым резонатором, напоминающим формой миниатюрную бутылку. Свет частично входит в резонатор и, совершив несколько оборотов там, снова возвращается в оптоволокно, но уже с противоположной фазой.

Однако, когда к резонатору подключали одиночный атом рубидия картина полностью изменялась. Присутствие атома мешало свету входить в резонатор и инвертирования фазы фотона не происходило. В случае, когда одновременно приходили два фотона, атом мог кратковременно поглотить лишь один из них, другой же беспрепятственно менял свою фазу.

«Таким способом может быть создано максимально перепутанное фотонное состояние, — заявляет Раушенбейтель. — Подобные состояния нужны во всех областях квантовой оптики — в квантовой телепортации и в световых транзисторах, которые могут использоваться для квантовых вычислений».

Оптическое нановолокно и бутылочные резонаторы отлично совместимы с сегодняшними коммуникационными технологиями, что обещает упростить развертывание инфраструктуры квантовых информационных сетей с защитой от прослушивания.