Interfejsy atom-światło kluczem do technologii kwantowej
W życiu codziennym zwykle kontrolujemy światło i manipulujemy nim za pomocą luster, światłowodów i innych materiałów w celu przesyłania informacji i wykonywania innych zadań. Naukowcy są coraz bardziej zainteresowani tym, co dzieje się, gdy wchodzimy w interakcję ze światłem w skali atomowej. „W tej skali interakcje są rządzone zasadami mechaniki kwantowej, co może prowadzić do zachowań różniących się od tego, czego moglibyśmy się spodziewać na podstawie naszych codziennych doświadczeń” — wyjaśnia koordynator projektu DAALI Darrick Chang z Instytutu Nauk Fotonicznych (ICFO) w Hiszpanii. „Istnieje ogromne zainteresowanie tym, w jaki sposób te interakcje mogą przynieść korzyści technologiom informacyjnym i obliczeniowym, które opierają się na mechanice kwantowej”.
„Cegiełki” kwantowych technologii informacyjnych
Badania te są wciąż na wczesnym etapie. „Na przykład, najlepsza do tej pory bramka fotonowa — podstawowy element do implementacji logiki kwantowej i obliczeń kwantowych — wciąż częściej nie działa niż działa poprawnie” — mówi Chang. Projekt DAALI miał zatem na celu osiągnięcie wyższej wydajności interakcji atom-światło. W tym celu projekt skupił się na dwóch stosunkowo nowych i ekscytujących podejściach. „Pierwszym z nich było opracowanie przełomowych platform opartych na łączeniu atomów z urządzeniami nanofotonicznymi” — wyjaśnia Chang. „Systemy nanofotoniczne oferują doskonały potencjał w zakresie skalowalności, a zdolność do ograniczania światła do małych obszarów pozwala nam zbliżyć się do ostatecznych limitów możliwości interakcji atom-światło”. Drugim celem projektu było wykorzystanie nowych, dostarczających ogromnych możliwości zasad interakcji światła z materią, w szczególności wykorzystanie uporządkowanych matryc atomów. „Korzystanie z gęstych, uporządkowanych układów atomów pozwala nam wykorzystać silne efekty interferencji w rozpraszaniu światła” — dodaje Chang. „Do tej pory jednak trudno było opracować platformy eksperymentalne z idealnymi układami atomów”.
Implementacja złożonych zadań kwantowych
Pod względem nanofotoniki zespołowi udało się sprzęgać pojedyncze atomy z wnękami modów galerii szeptów i wdrożyć bardziej złożone zadania kwantowe niż było to możliwe dotychczas. Poczyniono również znaczne postępy w implementacji nowego rodzaju interfejsu, w którym atomy są sprzężone z falowodami z kryształów fotonicznych. Zespół projektowy opracował nowe sposoby tworzenia idealnych układów atomów do kwantowych zastosowań optycznych. „Zespół opracował pierwszy «kwantowy mikroskop gazowy» dla atomów strontu” — zauważa Chang. „Jest to platforma o potencjalnie ogromnych możliwościach nie tylko dla optyki kwantowej, ale także dla innych obszarów nauki kwantowej, takich jak symulacje kwantowe”. Zespół opracował również teorie umożliwiające tworzenie krótkich, idealnych łańcuchów atomów połączonych z systemem nanofotonicznym, w oparciu o „wyrzucanie” każdego atomu, który nie należy do idealnego łańcucha.
Doskonalenie kwantowych interfejsów atom-światło
Wspomniane odkrycia mogą mieć istotny wpływ na technologie kwantowe. „Światło jest jedynym naturalnym sposobem przekazywania informacji na duże odległości” — przypomina Chang. „Poprawa interfejsów kwantowych atom-światło powinna stać się zatem kamieniem węgielnym każdej kwantowej rewolucji”. Zapewnienie pełnej funkcjonalności tych systemów — na przykład implementacja bramki fotonowej, która przewyższa poprzednie podejścia — zajmie jeszcze trochę czasu. Jednak Chang i jego zespół mocno wierzą w potencjał tych nowych systemów i mają nadzieję, że dzięki dalszym wysiłkom udoskonalona bramka fotonowa powinna być możliwa w ciągu najbliższych kilku lat. „Typowy podręcznik optyki kwantowej nigdy nie wspomina o teorii tego, jak matryce atomów lub atomy połączone z urządzeniami nanofotonicznymi oddziałują ze światłem” — dodaje Chang. „Mam nadzieję, że takie systemy zmienią sposób, w jaki budujemy interfejsy atom-światło, a także jak o nich myślenia i co możemy z nimi zrobić. Jeśli tak się stanie, będziemy musieli napisać książki od nowa!”.
Słowa kluczowe
DAALI, atomowe, kwantowe, technologie, atomy, foton, nanofotoniczne
