Vanligtvis, ljuspartiklar – fotoner – interagerar inte. Om två fotoner kolliderar i ett vakuum, de passerar helt enkelt genom varandra.

Ett effektivt sätt att få fotoner att interagera kan öppna nya möjligheter för både klassisk optik och kvantberäkning, en experimentell teknik som utlovar stora speedups på vissa typer av beräkningar.

Under de senaste åren har fysiker har möjliggjort foton-fotoninteraktioner med hjälp av atomer av sällsynta grundämnen kylda till mycket låga temperaturer.

Men i senaste numret av Fysiska granskningsbrev , MIT-forskare beskriver en ny teknik för att möjliggöra foton-foton-interaktioner vid rumstemperatur, med hjälp av en kiselkristall med distinkta mönster etsade in i den. I fysikjargong, kristallen introducerar "olinjäriteter" i överföringen av en optisk signal.

"Alla dessa tillvägagångssätt som hade atomer eller atomliknande partiklar kräver låga temperaturer och arbetar över ett smalt frekvensband, säger Dirk Englund, en docent i elektroteknik och datavetenskap vid MIT och senior författare på den nya uppsatsen. "Det har varit en helig gral att komma på metoder för att realisera olinjäriteter på en fotonnivå vid rumstemperatur under omgivande förhållanden."

Med Englund på tidningen är Hyeongrak Choi, en doktorand i elektroteknik och datavetenskap, och Mikkel Heuck, som var postdoc i Englunds labb när arbetet gjordes och är nu på Danmarks Tekniske Universitet.

Fotoniskt oberoende

Kvantdatorer utnyttjar en märklig fysisk egenskap som kallas "superposition, " där en kvantpartikel kan sägas bebor två motstridiga tillstånd samtidigt. Spinn, eller magnetisk orientering, av en elektron, till exempel, kan vara både upp och ner samtidigt; polariseringen av en foton kan vara både vertikal och horisontell.

Om en sträng av kvantbitar – eller kvantbitar, kvantanalogen av bitarna i en klassisk dator - är i superposition, det kan, på något vis, hitta flera lösningar på samma problem samtidigt, det är därför kvantdatorer lovar snabbare.

De flesta experimentella qubits använder joner fångade i oscillerande magnetfält, supraledande kretsar, eller – som Englunds egen forskning – defekter i diamanternas kristallstruktur. Med alla dessa teknologier, dock, superpositioner är svåra att upprätthålla.

Eftersom fotoner inte är särskilt mottagliga för interaktioner med miljön, de är bra på att upprätthålla superposition; men av samma anledning, de är svåra att kontrollera. Och kvantberäkning beror på förmågan att skicka styrsignaler till qubitarna.

Det är där MIT-forskarnas nya arbete kommer in. Om en enda foton kommer in i deras enhet, den kommer att passera obehindrat. Men om två fotoner – i rätt kvanttillstånd – försöker komma in i enheten, de kommer att reflekteras tillbaka.

Kvanttillståndet för en av fotonerna kan alltså ses som styrande av den andras kvanttillstånd. Och kvantinformationsteorin har fastställt att enkla kvant-"portar" av denna typ är allt som behövs för att bygga en universell kvantdator.

Osympatisk resonans

Forskarnas apparat består av en lång, smal, rektangulär kiselkristall med regelbundet åtskilda hål etsade in i den. Hålen är bredast i ändarna av rektangeln, och de smalnar av mot dess mitt. Att ansluta de två mittersta hålen är en ännu smalare kanal, och i dess centrum, på motsatta sidor, är två vassa koncentriska spetsar. Mönstret av hål fångar tillfälligt ljus i enheten, och de koncentriska spetsarna koncentrerar det infångade ljusets elektriska fält.

Forskarna gjorde en prototyp för enheten och visade att den både begränsade ljus och koncentrerade ljusets elektriska fält i den grad som deras teoretiska modeller förutspådde. Men att förvandla enheten till en kvantport skulle kräva en annan komponent, ett dielektrikum inklämt mellan spetsarna. (Ett dielektrikum är ett material som vanligtvis är elektriskt isolerande men som kommer att bli polariserat - alla dess positiva och negativa laddningar kommer att riktas in i samma riktning - när de utsätts för ett elektriskt fält.)

När en ljusvåg passerar nära ett dielektrikum, dess elektriska fält kommer något att förskjuta elektronerna i dielektrikets atomer. När elektronerna springer tillbaka, de vinglar, som ett barns gunga när den trycks för hårt. Detta är den olinjäritet som forskarnas system utnyttjar.

Storleken och avståndet mellan hålen i enheten är skräddarsydda för en specifik ljusfrekvens - enhetens "resonansfrekvens". Men den olinjära vinklingen av dielektrikets elektroner borde skifta den frekvensen.

Vanligtvis, den förändringen är tillräckligt mild för att vara försumbar. Men eftersom de skarpa spetsarna i forskarnas enhet koncentrerar de elektriska fälten för inkommande fotoner, de överdriver också skiftet. En enda foton kunde fortfarande ta sig igenom enheten. Men om två fotoner försökte komma in i den, skiftet skulle bli så dramatiskt att de skulle slås tillbaka.

Praktisk potential

Enheten kan konfigureras så att den dramatiska förskjutningen i resonansfrekvens endast inträffar om de fotoner som försöker komma in i den har särskilda kvantegenskaper – specifika kombinationer av polarisation eller fas, till exempel. Kvanttillståndet för en foton kan alltså bestämma hur den andra fotonen hanteras, grundkravet för en kvantport.

Englund understryker att den nya forskningen inte kommer att ge en fungerande kvantdator inom den närmaste framtiden. Alltför ofta, ljus som kommer in i prototypen är fortfarande antingen spritt eller absorberat, och fotonernas kvanttillstånd kan bli något förvrängda. Men andra tillämpningar kan vara mer genomförbara på kort sikt. Till exempel, en version av enheten kan ge en pålitlig källa för enstaka fotoner, vilket i hög grad skulle stödja en rad forskning inom kvantinformationsvetenskap och kommunikation.

"Detta arbete är ganska anmärkningsvärt och unikt eftersom det visar stark interaktion mellan ljus och materia, lokalisering av ljus, och relativt långtidslagring av fotoner i så liten skala i en halvledare, " säger Mohammad Soltani, en nanofotonikforskare i Raytheon BBN Technologies Quantum Information Processing Group. "Det kan möjliggöra saker som var tvivelaktiga tidigare, som olinjära enkelfotonportar för kvantinformation. Det fungerar i rumstemperatur, det är solid state, och den är kompatibel med halvledartillverkning. Detta arbete är bland det mest lovande hittills för praktiska enheter, såsom kvantinformationsenheter."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.