"Zupfen" Lichtteilchen aus Laserstrahlen könnte vorrücken Quanten-Computing

Eine neuartige Methode zur "zupfen" einzelne Lichtteilchen aus einem Laserpuls zu großen Durchbrüche in der Quanten-computing führen könnte, sagen Forscher.

Mit einer Kombination von unterkühlten Atomen und modernster optischer Technologie, konnten Physiker vom Weizmann Institute of Science in Israel ein einzelnes Photon von einem Lichtstrahl zu extrahieren.

Einzelne Photonen sind von großem Interesse, Physiker, weil sie durch die Gesetze der Quantenmechanik, anstatt den Regeln der klassischen Physik (die Regel gilt für Licht) geregelt sind. Viele Wissenschaftler sehen auch Photonen als ein viel versprechender Kandidat Informationen in Zukunft Quantencomputer Systeme tragen. [Verrückte Physik: die coolsten kleine Partikel in der Natur]

"Licht aus Photonen besteht bereits die besten Träger von Informationen, die wir haben," sagte Barak Dayan, ein leitender Wissenschaftler am Weizmann Institute of Science, dessen Labor die neue Methode entwickelt. "Aber wenn wir in Quantentechnologien bewegen, werden wir einzelne Photonen als Träger von Informationen verwenden, also in der Lage, einzelne Photonen Steuern entscheidend sein wird."

In einer früheren Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Science im Jahr 2014 zeigten die Forscher, wie die Methode verwendet werden könnte, um einen rein optischen Router für Quanten-Kommunikations-Systeme zu erstellen. Sie schufen einen Schalter um einzelne Photonen auf verschiedene Wege und kodieren sie mit Quanten-Information, mit der Position des Schalters durch seine Wechselwirkung mit den Photonen bestimmt zu senden.

Ein wesentlicher Vorteil der Quantenkommunikation ist, dass es ultrasecure, weil der Prozess der Messung Quanten-System in der Regel es stört, sagten die Forscher. Dies würde normalerweise den Betreiber zu jeder Lauscher alarmieren, aber nach Dayan, die Lösung, die sie entwickelten, Spion auf bestimmten Systemen genutzt werden.

Zur Zeit die meisten Single-Photon-Quellen sind unvollkommen und gelegentlich mehr als ein Photon zu produzieren. "Eine der sorgen ist, dass jemand smart sicher,, dass machen könnte wenn es ein Photon, ihr Gerät ist nicht etwas tun, aber gibt es zwei Photonen, er die Ersatz-eins fängt", sagte Dayan.

Dies ist bekannt als "Photon Anzahl Aufspaltung Attack", und es könnte verwendet werden, um Nachrichten ohne Abfangen (des Teilchens) erkannt zu entschlüsseln. Alternativ können sagte Betreiber den Ansatz ihrer Übertragungen zu reinigen, indem Sie entfernen zusätzliche Photonen verwenden könnte, Dayan.

Forscher haben einzelne Photonen aus einen Lichtstrahl vor, in einem Prozess namens Photon Subtraktion, die niedrige Reflektivität Strahlteiler verwendet, um die Partikel abzulenken entfernt.

Aber die Methode ist probabilistische, was bedeutet, dass es Glücksache ist, ob ein Photon mit jedem Lichtimpuls entfernt wird. Darüber hinaus ist der einzige Weg um festzustellen, ob der Vorgang erfolgreich war, einen Photon-Detektor zu verwenden, die das Teilchen absorbiert und bedeutet, dass es nicht für etwas anderes verwendet werden kann. [Die 9 größten ungelösten Rätsel der Physik]

"In unserem Fall gibt es zwei Vorteile" Dayan sagte Leben Wissenschaft. "Ein: im Prinzip, es geschieht immer — es ist deterministisch. Zwei: Sie verlieren nicht das Photon nur Umleitung es, und Sie können es für andere Prozesse. "

Die Lösung verwendet eine einzelne Rubidium-Atom in Position gehalten durch Laser, die es zum absoluten Nullpunkt in der Nähe von cool. (Absoluten Nullpunkt entspricht minus 273,15 Grad Celsius oder 459,76 Grad Celsius.) Gekoppelt, dies ist ein Mikro optischer Resonator – effektiv, eine 30-Mikron-Breite Kugel aus Glas (für Perspektive, eine durchschnittliche menschliche Haarsträhne ist etwa 100 µm Breite) verwendet, um Licht zu beschränken lang genug für einzelne Photonen mit dem Atom interagieren. Licht wird in den Resonator mit einem nanoskaligen LWL-Kabel eingespeist.

Die Forscher setzen auf einen physikalischen Effekt, den Sie rufen "Single-Photon-Raman-Interaktion", den oder sprinten. Dies bewirkt, dass das Atom zu blockieren, die Übertragung von Licht bis ein einzelnes Photon reflektiert wird, an welcher Stelle wird es für die restlichen Photonen transparent.

Im Gegensatz zu bisherigen Methoden der Photon-Subtraktion entzieht der SPRINT-Effekt, naturgemäß, immer ein einzelnes Photon einen eingehenden Strahl, sagte der Wissenschaftler. Und obwohl die Forscher derzeit die extrahierten Photonen in Richtung eines Detektors zur Bestätigung ihre Ergebnisse senden, die Lichtteilchen könnte umgeleitet werden an anderer Stelle, sie hinzugefügt.

Aber Dayan ist scharf zu betonen, dass im Moment die Arbeit seines Teams den SPRINT-Effekt zu demonstrieren, anstatt eine praktische Quanten Kommunikationsvorrichtung bauen ausgelegt ist. "Die Realisierung ist sehr komplex – es gibt einen Grund, niemand dies vorher getan hat," sagte er. "Es vereint mehrere Technologien, und diese Kombination ist sehr anspruchsvoll. Deshalb hat Jahre gebraucht, uns zu dieser Übungseinheit und diesem Versuchsaufbau zu bauen. "

Die Verwendung von unterkühlten Atome sprengt den Rahmen des kommerziellen Systemen, aber Dayan sagte Forscher arbeiten an einer Reihe von Technologien entwickelt, um die einzigartigen Eigenschaften von Atomen, einschließlich Quantenpunkte, die winzige Halbleiter, die interessante Quanten-Effekte zeigen, wie z. B. in der Lage, Licht von einer Wellenlänge absorbieren und wandelt es in gesättigten Licht einer anderen Wellenlänge, zu imitieren.

"Sobald eine dieser Technologien reift, diese Wirkung, die wir gezeigt haben anwendbar es auch werden," sagte Dayan.

Die neue Studie wurde veröffentlicht online-23 November in der Zeitschrift Nature Photonics.

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