Kvantoptik, där ljus och materia interaktioner undersöks på mikroskopisk nivå, har fått Nobelpriser - inklusive tre som delats ut sedan 2001 - för några av vetenskapens största namn. Dock, även på detta mogna område, en del intressant fysik förblir i stort sett outforskad. Ett internationellt team av forskare från Technische Universität Wien (Österrike), Duke University, Università degli Studi di Palermo och Istituto Nanoscienze CNR (Italien), och det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory har presenterat ett nytt tillvägagångssätt för fotoninfångning som kan lokalisera och lagra en foton, tillhandahålla ett annat alternativ för att upptäcka komplicerad fysik och manipulera kvanttillståndet för enstaka fotoner. Deras arbete publicerades nyligen i Fysiska granskningsbrev .

Yao-Lung (Leo) Fang, en biträdande beräkningsvetare med Quantum Computing Group i Brookhaven's Computational Science Initiative och en medförfattare till uppsatsen, förklarade att en partikel som upptar ett stabilt bundet tillstånd är begränsad i rymden, såsom en elektron som kretsar kring en väteatom. Dock, bundna tillstånd kopplas vanligtvis från det kontinuerliga energispektrumet - dvs. ur kontinuum - i systemet. Detta gör bundna tillstånd i kontinuum (BIC) till ett intressant men svårt fysiskt fenomen att studera. Faktiskt, Fang noterade att BIC är ett aktivt forskningsämne inom många vetenskapliga och tekniska områden.

I vissa atomvågledaruppsättningar (en testbädd där en endimensionell optisk kanal är starkt kopplad till atomer) kan en BIC bestående av kollektiva excitationer av ljus och materia existera. Beväpnad med denna kunskap, Fang och hans kollegor bestämde ett nytt tillvägagångssätt för att upphetsa BIC, som tidigare trodde var möjligt endast med spontan fotonemission. Till skillnad från konventionella tillvägagångssätt som kräver kontroll av ljus som sprider sig i ett medium, deras excitationsmetod gav ett nytt sätt att fånga enstaka fotoner utan att bromsa ljuset.

"När Francesco [Ciccarello, medförfattare till tidningen] tog först upp denna idé om att spänna BIC för oss, Jag var lite skeptisk, "Sa Fang." Men, efter att vi satte oss ner och analyserade det noggrant, det visar sig att han hade rätt. Det funkar verkligen!"

Teamet övervägde BIC i två testbäddar, inklusive en öppen vågledare kopplad till ett par avlägsna atomer. Spännande BIC krävde också två viktiga ingredienser:ett paket med flera foton och en betydande tidsfördröjning (tur och retur för fotoner att sprida sig mellan två avlägsna objekt). Fang och hans kollegor fann att genom att korrekt utforma tidsfördröjningen och vågparametrarna, de kunde skicka in två fotoner och fånga en med mer än 80 procents sannolikhet. Med förbättrade parametrar, de förväntar sig det, i princip, en perfekt fångst är möjlig. Resultatet ger ett alternativt exempel för att undersöka kvantdynamik i ett olinjärt system. I tur och ordning, detta kan informera breda forskningsområden som involverar kvantfysik i många kroppar, där system består av många kvantmekaniskt interagerande partiklar.

"Vi var tvungna att ha begränsad tidsfördröjning för att maximera fällan, "Fang sa." Värdet är att metoden kan gynna kvantminnen, nätverk, och datorer. Till exempel, kvantdatorer måste lagra en foton och hämta den vid behov. Eftersom fotoner rör sig med ljusets hastighet och inte kan stanna, vi måste bromsa dem så att de kan lagras. Nu, vi har en ny, verifierbar mekanism för att lagra en foton. "

Fang erkände att lagets foton-spridningsarbete också skiljer sig på grund av dess inflytande av icke-markoviansk dynamik, vilket kan vara svårt att hantera på grund av hur tidigare stater påverkar de efterföljande tillstånden i ett system.

"Det finns ett allmänt intresse för icke-markovisk fysik, från heloptiska system, inklusive mikrovågor och lasrar, AMO [atom, molekyl, och optisk] fysik till optomekanik, och en typisk signatur är avvikelsen från rent exponentiellt förfall, "förklarade han." Det finns stora tekniska svårigheter att studera många kroppseffekter med tidsfördröjning. I icke-markoviansk dynamik med fördröjningseffekter, vår studie presenterar ett modellsystem med liknande fysik som kan lösas numeriskt för att låta fysiker utläsa och undersöka vad som händer i dessa system. "

I sista hand, Fang noterade, det finns stor potential att dra nytta av BIC, till exempel för att skapa en två-qubit sammanfogad grind för kvantdatorer eller till och med föreställa sig fjärrkommunikation över kvantnätverk.

"Genom att spänna BIC, en begränsad trassel kan skapas mellan två avlägsna noder i ett kvantnätverk, "Han sa." Det finns många sätt att metoden kan ge effektfulla system för annat arbete och inom framväxande vetenskapsområden. "