Przełączniki kwantowe i falowody jednofotonowe

Przełączniki kwantowe stworzą jedną z podstaw przyszłych sieci kwantowych i zastosowań do komunikacji kwantowej. Naukowcy zbadali możliwości jednoatomowej kontroli portu wyjściowego światła padającego, dzięki wsparciu ze środków UE projektu "A quantum switch for light" (QUSWITCH). Urządzenie przełączające było mikrorezonatorem optycznym, wnęką wykonaną z powierzchni refleksyjnych oddzielonych medium optycznym.

Naukowcy wykorzystali mikrorezonator butelkowy obsługujący szeptane tryby galeryjne. Tego typu mikrorezonator pozwala na silne sprzęganie do tego stopnia, że pojedynczy atom może drastycznie zmienić właściwości transmisji rezonatora. Moc wejściową i wyjściową światła zwiększono zwężonymi włóknami optycznymi o bardzo niskich stratach.

W pierwszej kolejności powstała technika dostarczania i wykrywania obecności pojedynczego atomu Rubidium 85 z odległości około 100 nm od powierzchni rezonatora. Dzięki takiemu systemowi kontroli naukowcy przystąpili do badania sprzężenia atom-rezonator przy użyciu metod spektralnych. Co zaskakujące, odkryto, że w przeciwieństwie do istniejącej teorii i prognoz, z powodu silnego ograniczenia światła atomy emitują światło tylko w jednym kierunku. To doprowadziło do eksperymentalnych demonstracji nowatorskich nanoskalowych falowodów optycznych. Przykładowo, naukowcy stworzyli zintegrowany z włóknami przełącznik optyczny, w którym pojedynczy atom kontroluje port wyjściowy mikrorezonatora szeptanego trybu galeryjnego.

Następnie, ze względu na wewnętrznie nieliniowy charakter sprzężenia atom-rezonator, liczba fotonów może zostać wykorzystana do realizacji różnych funkcji. Zespół zdołał ukierunkować pojedyncze fotony do innego portu niż dwa jednocześnie przybywające fotony.

Dodatkowo naukowcy odkryli, że rezonator generuje inne przesunięcie fazowe w świetle wyjściowym wzdłuż włókna sprzęgającego, w zależności od liczby padających fotonów. Naukowcy wykorzystali to zjawisko, by wygenerować zapętlenie między dwoma padającymi fotonami.

Nowatorska interakcja światło-materia zrealizowana w ramach projektu QUSWITCH toruje drogę ku innowacyjnym zintegrowanym urządzeniom fotonicznym w skali mikro i detekcji optycznej lub projektom odczytu fizycznego. Maksymalnie silna interakcja foton-foton jest podstawą praktycznego zastosowania deterministycznych bram kwantowych i przetwarzania informacji. Dlatego też efektem projektu jest nowe spojrzenie na fundamentalne kwestie o dużym znaczeniu dla przyszłych innowacyjnych zastosowań.