Свет имеет фундаментальное значение. Это позволяет нам видеть мир вокруг нас и рекордных картин нашей среды. Это позволяет коммуникацию по большим расстояниям через оптоволокно.
Все текущие методы обнаружения света разделяют общую собственность: поглощение и таким образом разрушение фотона. Это была давняя мечта, чтобы быть в состоянии наблюдать, что отдельные фотоны летят, не поглощая их. Команда ученых в Квантовом Подразделении Динамики профессора Герхарда Ремпе в Максе-Планке-Инститьюте Квантовой Оптики теперь впервые поняла устройство, которое оставляет фотон нетронутым после обнаружения.В эксперименте поступающий фотон отражен от оптического резонатора, содержащего единственный атом, подготовленный в состоянии суперположения.
Отражение изменяет фазу суперположения, которая тогда измерена, чтобы проследить фотон. Новый метод открывает перспективу, чтобы существенно увеличить эффективность обнаружения единственных легких квантов и имеет важные последствия для всех экспериментов, где фотоны используются, чтобы закодировать и сообщить информацию о кванте.Основные элементы в эксперименте – единственный атом рубидия и оптическая впадина. Последний – резонатор для света, который сделан из двух высоко размышляющих зеркал на очень маленьком расстоянии.
Атом пойман в ловушку в центре впадины, где легкие силы сильно ограничивают его во всех трех измерениях. Это показывает два различных стандартных состояния, каждый характеризуемый его определенной энергией перехода к следующему взволнованному состоянию. Чтобы проверить датчик, впадина освещена с серией очень слабых импульсов лазеров, которые содержат в среднем намного меньше, чем единственный фотон.В одном из его стандартных состояний атом нерезонирует с обоими, впадиной и посягающим фотоном.
В этом случае фотон будет входить во впадину, но не взаимодействовать с атомом. Из-за специальных свойств впадины фотон оставит его на том же самом пути, в который это вошло. В другом стандартном состоянии атом резонирует с обоими, впадиной и посягающим фотоном.
В этом случае атом и впадина представляют решительно двойную систему со свойствами, отчетливо отличающимися от тех из отдельных систем. В отличие от первого случая, у фотона, который находится на резонансе с впадиной, нет шанса войти в него.
Вместо этого это отражено от первого зеркала. В любом случае хрупкий легкий квант отражен, а не поглощен и разрушен.«Однако фотон оставил свой след в атоме», объясняет Андреас Райзерер, докторант на эксперименте и первый автор публикации. «Уловка – то, что мы готовим атом в суперположении этих двух стандартных состояний.
Самый момент фотон отражен от впадины, резонирующее государство, испытывает изменение фазы относительно нерезонирующего. Это изменение фазы может тогда быть прочитано из атома. Таким образом фотон пережил свое обнаружение с его свойствами, например его форма пульса или поляризация, нетронутая».
Изменение фазы атомного государства обнаружено, используя известную технику: «Свободно говоря, атом освещает, когда исследовано после отражения фотона», говорит доктор Штефан Риттер, ученый из эксперимента. Чтобы доказать, что неразрушающее обнаружение работает, отраженные фотоны также зарегистрированы обычными фотодатчиками. «Таким образом мы обнаруживаем фотон дважды, который невозможен с одними только разрушительными датчиками. В нашем эксперименте доказательства принципа мы достигли эффективности обнаружения единственного фотона 74%, которая уже является больше, чем 60% типичных разрушительных датчиков».
Риттер говорит. «Достигнутая стоимость существенно не ограничена, но из-за некоторых недостатков, что мы можем продолжить работать в будущем».Способность наблюдать единственные фотоны, не разрушая их или изменяя любую из их степеней свободы открывает перспективу для многих новых экспериментов. Единственный фотон может неоднократно обнаруживаться, объединяя несколько неразрушающих устройств.
Это также обеспечивает новые возможности для использования единственных фотонов в квантовой коммуникации и квантовой обработке информации. Успешная передача фотона в квантовой сети могла быть обнаружена, не разрушая хрупкую информацию о кванте, закодированную в нем. На основе механизма, используемого для обнаружения единственного фотона, должно также быть возможно понять детерминированные, универсальные квантовые ворота между отраженным единственным фотоном и единственным атомом и даже между двумя фотонами.
Поскольку квантовые ворота – функциональные стандартные блоки квантового компьютера, это – давняя мечта в оптическом квантовом вычислении.