I ett samarbete mellan Aarhus universitet och Syddansk Universitet, forskare har upptäckt ett sätt att subtrahera en enda kvant ljus från en laserstråle. Detta arbete har nyligen publicerats i Fysiska granskningsbrev . Metoden banar väg mot framtida kvantkommunikation och beräkning med hjälp av kvantmekanik för tekniska tillämpningar.

Ljus består av små odelbara energipaket, eller partiklar, känd som fotoner. En definierande egenskap hos fotoner är att de inte interagerar, helt enkelt passera genom varandra helt opåverkad. I samband med kvantkommunikation, detta är en mycket användbar funktion, eftersom det i slutändan möjliggör överföring med låg förlust av optiskt kodad data över mycket stora avstånd. Dock, många nya idéer för kvantinformationsbehandling skulle ha stor nytta av möjligheten att få två fotoner att interagera på ett sådant sätt att en påverkar utbredningen eller tillståndet hos en annan.

Under de senaste åren har ultrakylda atomgaser har visat sig vara ett idealiskt medium för att manipulera ljus. Till exempel, använder en teknik som kallas elektromagnetiskt inducerad transparens, forskare kan drastiskt ändra hastigheten på ljusutbredning och sakta ner ljuset till förvånansvärt långsamma hastigheter på bara några meter per sekund.

Kanske ännu mer anmärkningsvärt, ljus kan stoppas genom att omvandla fotonerna till atomiska excitationer i mediet. Genom att vända denna process och kartlägga excitationerna tillbaka till fotoner, denna procedur förverkligar ett fotoniskt kvantminne där foton kan tillfälligt lagras och hämtas vid behov.

Tillsammans med teamet från Aarhus University och medarbetare från Joint Quantum Institute vid University of Maryland, experimentteamet i Odense har implementerat ett sådant fotoniskt minne, men med en speciell form av atomgas där de ingående atomerna har starka interaktioner.

Detta gör att fotonerna effektivt detekterar varandra i kvantminnet, tillåter forskare att manipulera ljus på en olinjär nivå. Med denna idé, grupperna har tagit fram och demonstrerat ett nytt sätt att subtrahera en enda foton från en optisk stråle med hjälp av en annan ljusstråle.

Den allmänna idén är först att lagra ett optiskt fält, och skicka sedan en till genom mediet. Fotoner i den andra strålen detekterar de lagrade fotonerna och interagerar med dem på ett sådant sätt att en enda foton märks och senare kasseras vid hämtning. Rånas av en enda foton, den ursprungliga ljusstrålen lämnas i ett märkligt kvanttillstånd som i sig har många vetenskapliga och tekniska tillämpningar.

Verkligen, den underliggande idén med att manipulera fotoner med ett sådant olinjärt kvantminne rymmer löften för många tillämpningar inom kvantinformationsvetenskap. Medan mer studier krävs innan sådana möjligheter blir fullt praktiska, den demonstrerade prototypfotonsubtraktorn är en viktig milstolpe mot kvantteknik baserad på interagerande fotoner.