实现光子之间高效交互的新方法

在波导中传播的两个光子与单个量子发射器相互作用。光子-光子相互作用，这导致相关性。图片来源：勒·珍妮克等人

光子，代表光量子的粒子，已经显示出开发新量子技术的巨大潜力。更具体地说，物理学家一直在探索创造光子量子比特（量子信息单位）的可能性，这些量子比特可以使用光子长距离传输。

尽管取得了一些有希望的结果，但在大规模实现光子量子比特之前，仍然需要克服一些障碍。例如，已知光子容易受到传播损耗的影响（即，从一个点传播到另一个点时能量，辐射或信号的损失），并且彼此不相互作用。

丹麦哥本哈根大学、西班牙联邦科学基金会-CSIC和德国波鸿鲁尔大学的研究人员最近设计了一项战略，可以帮助克服这些挑战之一，即缺乏光子-光子相互作用。他们的方法发表在《自然物理学》上的一篇论文中，最终可能有助于开发更复杂的量子设备。

“我们一直致力于单量子发射器（量子点）到单光子的确定性接口超过15年，并开发了一种基于纳米光子波导的非常强大的方法，”进行这项研究的研究人员之一Peter Lodahl告诉 Phys.org。“我们通常将这些设备应用于确定性的单光子源和多光子纠缠源，但另一种可能的应用是在光子上诱导非线性操作。

Lodahl和他的同事们早在2015年就首次实现了使用单个光子的非线性操作的概念验证演示。然而，当他们进一步研究这种效应时，他们遇到了难以彻底理解这种复杂的单光子和非线性相互作用背后的基础物理学。

“在我们之前的工作中，我们发现控制光脉冲非线性相互作用的物理学非常丰富，并为构建光子量子门和光子分选器提供了一些新的机会，”Lodahl说。“我们已经对非线性量子脉冲进行了第一次实验研究，由于与确定耦合量子发射器的耦合而经历非线性相互作用。

在他们的新实验中，研究人员使用单个量子发射器与纳米光子波导的高效相干耦合来实现单光子波包之间的非线性量子相互作用。为此，他们使用了单个量子点，这是一个nm大小的粒子，其行为类似于两级原子，嵌入在光子晶体波导中。

“在这样的系统中，耦合是确定性的，因此即使发射到波导中的一个光子也与量子点相互作用，”Lodahl解释说。“发送包含两个或多个光子的脉冲会引起量子相关性，因为一次只有一个光子可以与量子点相互作用。通过控制量子脉冲的持续时间，我们可以定制这些相关性，以及光子之间的相互作用。

使用他们的实验方法，Lodahl和他的同事们基本上能够使用第二个光子来控制光子，该光子由他们的量子发射器介导。换句话说，他们成功地实现了非线性光子-光子相互作用。

“我们开发了一种方法，通过与量子点的耦合介导，使光子有效地相互作用，”Lodahl说。“我们认为，这可能为制造光子 – 光子量子门（这是光子量子计算中的困难门）或确定性光子分选装置开辟新的方向，这些装置是必不可少的，例如，对于量子中继器。

这个研究团队引入的新策略可能对量子物理学研究和量子技术的发展产生重要影响。例如，他们的方法可以为量子光学器件的发展开辟新的可能性，同时也允许物理学家试验定制的复杂光子量子态。

“我们有一系列活动可以扩展目前的工作，”参与这项研究的另一位研究人员汉娜·勒·珍妮克（Hanna Le Jeannic）告诉 Phys.org。“在基本层面上，我们正在更深入地了解光的量子态如何通过单个量子点传播而受到影响。但我们也已经预见到这种量子相互作用的应用。

目前，Lodahl，Le Jeannic和他们的同事正试图利用他们最近研究实现的非线性光子 – 光子相互作用来模拟分子的振动动力学。这可以通过将复杂分子的振动动力学映射到先进光子电路中光子的传播上来实现。

更多信息：Hanna Le Jeannic等人，由量子发射器介导的动态光子 – 光子相互作用，自然物理学（2022）。DOI： 10.1038/s41567-022-01720-x

Ravitej Uppu等人，基于量子点的确定性光子 – 发射器接口用于可扩展光子量子技术，自然纳米技术（2021）。DOI： 10.1038/s41565-021-00965-6

A. Javadi等人，波导中量子点的单光子非线性光学，自然通信（2015）。DOI： 10.1038/ncomms9655

期刊信息： 自然纳米技术 ， 自然通讯 ， 自然物理