În teorie, computerele cuantice vor fi capabile să efectueze anumite tipuri de calcule complicate mult mai rapid decât computerele actuale, iar transmiterea informaţiilor cu dispozitive cuantice ar trebui să fie scutită de ascultători nedoriţi.
Crearea dispozitivelor cuantice pentru viaţa cotidiană s-a dovedit a fi totuşi sortită unor provocări uriaşe.
În prezent o echipă de la MIT şi Harvard University a atins un succes îndelung urmărit care constă în abilitatea de a transforma o rază laser într-un şir de fotoni (particule de lumină) individuali, într-un mod controlat.
Demonstraţia completă a acestei realizări este detaliată într-o lucrare publicată de doctorandul Thibault Peyronel şi colegii săi, în revista Nature.
O reprezentare artistică arată cum o grupare de fotoni incidenţi (sus) pot fi absorbiţi de un nor de atomi ultra-reci (centru), astfel controlaţi încât doar un singur foton va trece de barieră. Posibilitatea de a lansa fotoni individuali a reprezintă un punct de cotitură în munca de cercetare dusă pentru a crea dispozitive cuantice.
Experimentatul autor Vlatan Vuletić, Lester Wolfe Professor de fizică la MIT, spune că această realizare “ar putea face posibilă crearea unor dispozitive cuantice” cum ar fi porţile cuantice, în care un foton schimbă direcţia de deplasare sau polarizarea altui foton. Acest ţel a fost foarte dificil de atins, explică Vuletić, deoarece în mod obişnuit fotonii interacţionează, în cel mai fericit caz, foarte slab între ei.
Pentru a încuraja aceste interacţiuni sunt necesari atomi care au un puternic contact cu fotonii – precum şi cu alţi atomi care, la rândul lor, interacţionează cu alţi fotoni. Spre exemplu, un foton care parcurge un nor de asemenea atomi ar putea traversa nestingherit, schimbând însă starea atomilor în aşa fel încât următorul foton va fi blocat în trecere. Aceasta înseamnă că dacă doi fotoni vor încerca să treacă simultan, doar unul va reuşi, iar celălalt va fi absorbit.
Deci, în noul sistem, indiferent câţi fotoni sunt trimişi într-un asemenea nor de atomi, doar unul va găsi ieşirea. Norul se comportă precum o strecurătoare de fotoni, ordonând o mulţime dezordonată într-un şir indian.
Profesorul Atac Imamoglu, fizician la ETH Zurih, care nu a fost implicat în această cercetare, spune “Privesc această muncă ca pe o adevărată realizare în optica cuantică, deoarece autorii au venit cu o nouă metodă de a induce interacţiuni puternice între fotoni individuali.”
Sistemul este bazat pe fenomenul numit transparenţă indusă electromagnetic (TIE), folosită în trecut pentru a încetini raze de lumină. (Arhi-cunoscuta proprietate de invarianţă a vitezei luminii, prima dată formulată de Albert Einstein, se aplică doar luminii în vid. Lumina care traversează materie poate avea diferite viteze). Diverse echipe de cercetare, incluzând şi această echipă de cercetători de la Harvard şi MIT, au publicat rezultate în urmă cu un deceniu arătând că lumina, şi chiar fotoni individuali, pot fi încetiniţi oricât, sau chiar opriţi, ca apoi aceştia să revină la viteza lor normală.
Această încetinire a luminii este realizată prin trecerea unei fascicul laser printr-un nor dens de atomi ultrareci (atomi de Rubidiu în acest caz) răcit la 40 de micro Kelvin sau 40 de milionimi de grad peste zero absolut. În mod normal acest nor este opac pentru lumină, dar un fascicul laser produce starea TIE care permite fotonilor să traverseze cu o viteză mică determinând ridicarea atomilor într-o stare superioară de energie. Atomii care sunt în această stare (numită stare Rydberg) interacţionează împreună foarte puternic, ceea ce înseamnă că un alt foton nu îndeplineşte condiţia de TIE atât timp cât primul foton se află încă în preajmă. Deci, oricând un foton intră, acesta trece printr-un mediu temporar transparent; când doi sau mai mulţi intră, gazul devine din nou opac, toţi fotonii fiind blocaţi cu excepţia primului.
“Dacă este trimis un foton, acesta trece nestingherit, însă dacă sunt trimişi doi sau trei fotoni, forţându-i să încapă prin focarul îngust al fasciculului laser, doar unul va trece” spune Ofer Firstenberg, post-doctorand la Universitatea Harvard şi co-autor al lucrării în discuţie. “Este asemenea nisipului dintr-o clepsidră, însă doar un grăunte poate să pătrundă”, adaugă acesta.
Prin urmare, un fascicul laser obişnuit – un grup de fotoni – îndreptat spre acest nou aparat, iese din acesta sub formă de şir de fotoni individuali.
Stephen Harris, profesor de inginerie electrică şi profesor emerit de fizică aplicată la Universitatea Stanford, care nu a avut legătura cu acest proiect, spune că experimentul “a funcţionat mult mai mai bine decât aş fi bănuit. Acest lucru se datorează, cred eu, interacţiunilor neaşteptat de robuste ale atomilor Rydberg învecinaţi.” Ca rezultat al acestei lucrări, profesorul spune că, “Pentru prima dată fizica fotonilor individuali fără rezonanţe a devenit realitate.”
Metoda poate fi folosită pentru a schimba starea atomilor în funcţie de numărul de fotoni cu care sunt bombardaţi, folosind un al doilea fascicul laser pentru a detecta acele stări modificate. “Un mare ţel a fost să putem măsura un foton fără a-l afecta,” spune Vuletić. “ştim cum să detectăm fotoni optici individuali însă doar daca îi distrugem. Această tehnică ar trebui să ne permită sa măsurăm fotonul şi să-l păstrăm intact.”
Eugen S. Polzik, profesor de fizică la Institutul Niels Bohr de la Universitatea din Copenhaga şi director al Danish Center for Quantum Optics, spune, “Demonstraţia eficienţei interacţiunii non lineare, la nivel de fotoni individuali este unul dintre cele mai importante obiective în procesarea cuantică a informaţiei. Munca depusă este o dezvoltare captivantă în această direcţie. Ea întăreşte spre implementarea algoritmilor prin cuantica fotonilor.
După părerea echipei, sistemul ar putea duce la dezvoltarea întrerupătoarelor cu fotoni. Ar putea, de asemenea, fi folosit pentru a crea porţilor logice cuantice, o componentă esenţială pentru un sistem de procesare a informaţiei bazat în întregime pe optică. Astfel de sisteme folosite pentru comunicaţii ar fi, în principiu, imune împotriva ascultătorilor nedoriţi şi ar putea fi mult mai eficiente în procesarea unor anumite tipuri de operaţii.
Lăsând la o parte posibilele aplicaţii comerciale, sistemul oferă indicii pentru înţelegerea interacţiunilor de bază dintre materie şi lumină, notează Vuletić.
Descoperirea este numită “un minunat şi important progres ştiinţific” de către profesorul Harris de la Universitatea Stanford.
Traducere după Single-photon transmitter could enable new quantum devices de Gavrilă Răzvan
