Квантова оптика: Глибоке занурення в маніпуляцію одиночними фотонами

Квантова оптика, галузь, що поєднує квантову механіку та оптику, досліджує квантову природу світла та його взаємодію з речовиною. В основі цієї захопливої дисципліни лежить одиночний фотон – фундаментальний квант електромагнітного випромінювання. Розуміння та маніпулювання цими окремими фотонами відкриває шлях до революційних технологій, таких як квантові обчислення, безпечний квантовий зв'язок та надчутливі квантові сенсори. Цей комплексний посібник розглядає принципи, методи та майбутні застосування маніпуляції одиночними фотонами, надаючи цінний ресурс для дослідників, студентів та всіх, хто цікавиться передовими квантовими технологіями.

Що таке квантова оптика?

Квантова оптика вивчає явища, в яких квантові властивості світла стають значущими. На відміну від класичної оптики, яка розглядає світло як безперервну хвилю, квантова оптика визнає його дискретну, частинкоподібну природу. Ця перспектива є вирішальною при роботі з дуже слабкими світловими полями, аж до рівня окремих фотонів.

Ключові поняття в квантовій оптиці

• Квантування світла: Світло існує у вигляді дискретних порцій енергії, які називаються фотонами. Енергія фотона прямо пропорційна його частоті (E = hf, де h — стала Планка).
• Хвильово-корпускулярний дуалізм: Фотони проявляють як хвильові, так і частинкоподібні властивості, що є наріжним каменем квантової механіки.
• Квантова суперпозиція: Фотон може існувати в суперпозиції кількох станів одночасно (наприклад, перебувати в кількох станах поляризації одночасно).
• Квантова заплутаність: Два або більше фотонів можуть бути пов'язані таким чином, що вони поділяють одну долю, незалежно від того, наскільки далеко один від одного вони знаходяться. Це має вирішальне значення для квантового зв'язку.
• Квантова інтерференція: Фотони можуть інтерферувати самі з собою та один з одним, що призводить до інтерференційних картин, які принципово відрізняються від тих, що спостерігаються в класичній оптиці.

Важливість одиночних фотонів

Одиночні фотони є будівельними блоками квантової інформації та відіграють критичну роль у різноманітних квантових технологіях:

• Квантові обчислення: Одиночні фотони можуть представляти кубіти (квантові біти), фундаментальні одиниці квантових обчислень. Їхні властивості суперпозиції та заплутаності дозволяють квантовим алгоритмам виконувати обчислення, неможливі для класичних комп'ютерів.
• Квантова криптографія: Одиночні фотони використовуються для передачі зашифрованої інформації безпечним способом, використовуючи закони квантової фізики для гарантування конфіденційності. Спроби підслуховування неминуче порушують квантовий стан фотонів, сповіщаючи про це відправника та одержувача.
• Квантова сенсорика: Одиночні фотони можна використовувати для створення неймовірно чутливих сенсорів для виявлення слабких сигналів, таких як гравітаційні хвилі або слідові кількості хімічних речовин.
• Квантова візуалізація: Техніки візуалізації з використанням одиночних фотонів дозволяють отримувати зображення з високою роздільною здатністю при мінімальному освітленні, що особливо корисно для біологічних зразків.

Генерація одиночних фотонів

Створення надійних джерел одиночних фотонів є головним викликом у квантовій оптиці. Було розроблено кілька методів, кожен з яких має свої переваги та недоліки:

Спонтанне параметричне розсіяння (СПР)

СПР є найпоширенішим методом для генерації заплутаних пар фотонів. Нелінійний кристал накачується лазерним променем, і час від часу фотон накачки розпадається на два фотони з нижчою енергією, відомі як сигнальний та холостий фотони. Ці фотони заплутані за різними властивостями, такими як поляризація або імпульс. Залежно від бажаних властивостей генерованих фотонів використовуються різні типи кристалів (наприклад, бета-борат барію - BBO, ніобат літію - LiNbO3) та довжини хвиль лазера накачки.

Приклад: Багато лабораторій у світі використовують СПР із синім лазером, що накачує кристал BBO, для створення заплутаних пар фотонів у червоному або інфрачервоному спектрі. Дослідники в Сінгапурі, наприклад, використовували СПР для створення високозаплутаних пар фотонів для експериментів з квантової телепортації.

Квантові точки

Квантові точки — це напівпровідникові нанокристали, які можуть випромінювати одиночні фотони при збудженні лазерним імпульсом. Їхній малий розмір обмежує електрони та дірки, що призводить до дискретних енергетичних рівнів. Коли електрон переходить між цими рівнями, він випромінює один фотон. Квантові точки пропонують потенціал для генерації одиночних фотонів на вимогу.

Приклад: Вчені в Європі розробляють джерела одиночних фотонів на основі квантових точок для інтеграції в мережі квантового зв'язку. Вони пропонують високу яскравість і можуть бути інтегровані в твердотільні пристрої.

Азот-вакансійні (NV) центри в алмазі

NV-центри — це точкові дефекти в алмазній решітці, де атом азоту заміщує атом вуглецю поруч із вакансією. Ці дефекти проявляють флуоресценцію при збудженні лазером. Випромінюване світло можна відфільтрувати для виділення одиночних фотонів. NV-центри є перспективними для квантової сенсорики та обробки квантової інформації завдяки їхнім довгим часам когерентності та сумісності з умовами навколишнього середовища.

Приклад: Дослідницькі групи в Австралії вивчають NV-центри в алмазі для створення високочутливих датчиків магнітного поля. Спіновий стан NV-центру чутливий до магнітних полів, що дозволяє проводити точні вимірювання на нанорівні.

Атомні ансамблі

Контрольоване збудження атомних ансамблів може призвести до випромінювання одиночних фотонів. Такі методи, як електромагнітно-індукована прозорість (ЕІП), можуть використовуватися для контролю взаємодії світла з атомами та генерації одиночних фотонів на вимогу. У цих експериментах часто використовуються лужні атоми (наприклад, рубідій, цезій).

Приклад: Дослідники в Канаді продемонстрували джерела одиночних фотонів на основі холодних атомних ансамблів. Ці джерела пропонують високу чистоту і можуть використовуватися для квантового розподілу ключів.

Маніпулювання одиночними фотонами

Після генерації одиночні фотони потребують точного контролю та маніпуляції для виконання різноманітних квантових операцій. Це включає контроль їхньої поляризації, шляху та часу прибуття.

Контроль поляризації

Поляризація фотона описує напрямок коливань його електричного поля. Поляризаційні розгалужувачі променя (PBS) — це оптичні компоненти, які пропускають фотони з однією поляризацією та відбивають фотони з ортогональною поляризацією. Хвильові пластинки (наприклад, півхвильові пластинки, чвертьхвильові пластинки) використовуються для обертання поляризації фотонів.

Приклад: Уявіть, що потрібно підготувати одиночний фотон у певній суперпозиції горизонтальної та вертикальної поляризації для протоколу квантового розподілу ключів. Використовуючи комбінацію півхвильових та чвертьхвильових пластинок, вчені можуть точно встановити поляризацію фотона, що дозволяє безпечно передавати квантовий ключ.

Контроль шляху

Розгалужувачі променя (BS) — це частково відбиваючі дзеркала, які розділяють вхідний пучок фотонів на два шляхи. У квантовому світі одиночний фотон може існувати в суперпозиції перебування на обох шляхах одночасно. Дзеркала та призми використовуються для направлення фотонів по бажаних шляхах.

Приклад: Знаменитий інтерферометр Маха-Цендера використовує два розгалужувачі променя та два дзеркала для створення інтерференції між двома шляхами. Одиночний фотон, направлений в інтерферометр, розщепиться на суперпозицію проходження обох шляхів одночасно, і інтерференція на виході залежить від різниці довжин шляхів. Це фундаментальна демонстрація квантової суперпозиції та інтерференції.

Контроль часу

Точний контроль над часом прибуття одиночних фотонів є вирішальним для багатьох квантових застосувань. Електрооптичні модулятори (EOM) можуть використовуватися для швидкого перемикання поляризації фотона, що дозволяє здійснювати часово-залежне детектування або маніпулювати часовою формою фотона.

Приклад: У квантових обчисленнях фотони можуть потребувати прибуття до детектора в точний час для виконання операції квантового вентиля. ЕОМ може використовуватися для швидкого перемикання поляризації фотона, ефективно діючи як швидкий оптичний перемикач для контролю часу його детектування.

Волоконна оптика та інтегрована фотоніка

Волоконна оптика забезпечує зручний спосіб направлення та передачі одиночних фотонів на великі відстані. Інтегрована фотоніка передбачає виготовлення оптичних компонентів на чіпі, що дозволяє створювати складні квантові схеми. Інтегрована фотоніка пропонує переваги компактності, стабільності та масштабованості.

Приклад: Команди в Японії розробляють інтегровані фотонні схеми для квантового розподілу ключів. Ці схеми інтегрують джерела одиночних фотонів, детектори та оптичні компоненти на одному чіпі, роблячи системи квантового зв'язку більш компактними та практичними.

Детектування одиночних фотонів

Детектування одиночних фотонів є ще одним критичним аспектом квантової оптики. Традиційні фотодетектори недостатньо чутливі для виявлення окремих фотонів. Для досягнення цієї мети були розроблені спеціалізовані детектори:

Лавинні фотодіоди для реєстрації одиночних фотонів (SPAD)

SPAD — це напівпровідникові діоди, зміщені вище своєї напруги пробою. Коли одиночний фотон потрапляє на SPAD, він викликає лавину електронів, створюючи великий імпульс струму, який легко виявити. SPAD пропонують високу чутливість і гарну часову роздільну здатність.

Сенсори на перехідному краю (TES)

TES — це надпровідні детектори, які працюють при надзвичайно низьких температурах (зазвичай нижче 1 Кельвіна). Коли фотон поглинається TES, він нагріває детектор, змінюючи його опір. Зміна опору вимірюється з високою точністю, що дозволяє виявляти одиночні фотони. TES пропонують чудову енергетичну роздільну здатність.

Надпровідникові нанодротяні детектори одиночних фотонів (SNSPD)

SNSPD складаються з тонкого надпровідного нанодроту, охолодженого до кріогенних температур. Коли фотон потрапляє на нанодріт, він локально руйнує надпровідність, створюючи імпульс напруги, який можна виявити. SNSPD пропонують високу ефективність і швидкий час відгуку.

Приклад: Різні дослідницькі групи по всьому світу використовують SNSPD, з'єднані з одномодовими оптичними волокнами, для ефективного детектування одиночних фотонів для експериментів з квантового зв'язку та квантового розподілу ключів. SNSPD можуть працювати на телекомунікаційних довжинах хвиль, що робить їх придатними для міжміського квантового зв'язку.

Застосування маніпуляції одиночними фотонами

Здатність генерувати, маніпулювати та детектувати одиночні фотони відкрила широкий спектр захоплюючих застосувань:

Квантові обчислення

Фотонні кубіти пропонують кілька переваг для квантових обчислень, включаючи довгі часи когерентності та легкість маніпуляції. Лінійні оптичні квантові обчислення (LOQC) є перспективним підходом, який використовує лінійні оптичні елементи (розгалужувачі променя, дзеркала, хвильові пластинки) для виконання квантових обчислень з одиночними фотонами. Також досліджуються топологічні квантові обчислення з фотонами.

Квантова криптографія

Протоколи квантового розподілу ключів (QKD), такі як BB84 та Ekert91, використовують одиночні фотони для безпечної передачі криптографічних ключів. Системи QKD є комерційно доступними та розгортаються в мережах безпечного зв'язку по всьому світу.

Приклад: Компанії у Швейцарії активно розробляють та впроваджують системи QKD на основі технології одиночних фотонів. Ці системи використовуються для захисту передачі конфіденційних даних у фінансових установах та державних органах.

Квантова сенсорика

Детектори одиночних фотонів можуть використовуватися для створення високочутливих сенсорів для різноманітних застосувань. Наприклад, лідар на одиночних фотонах (виявлення та визначення дальності світлом) може використовуватися для створення 3D-карт з високою точністю. Квантова метрологія використовує квантові ефекти, включаючи одиночні фотони, для покращення точності вимірювань за межами класичних обмежень.

Квантова візуалізація

Техніки візуалізації з використанням одиночних фотонів дозволяють отримувати зображення з високою роздільною здатністю при мінімальному освітленні. Це особливо корисно для біологічних зразків, які можуть бути пошкоджені світлом високої інтенсивності. Примарна візуалізація — це техніка, яка використовує заплутані пари фотонів для створення зображення об'єкта, навіть якщо об'єкт освітлюється світлом, яке безпосередньо не взаємодіє з детектором.

Майбутнє маніпуляції одиночними фотонами

Галузь маніпуляції одиночними фотонами швидко розвивається. Майбутні напрямки досліджень включають:

• Розробка більш ефективних та надійних джерел одиночних фотонів.
• Створення більш складних та масштабованих квантових фотонних схем.
• Покращення продуктивності детекторів одиночних фотонів.
• Дослідження нових застосувань технологій на основі одиночних фотонів.
• Інтеграція квантової фотоніки з іншими квантовими технологіями (наприклад, надпровідними кубітами).

Розробка квантових повторювачів буде мати вирішальне значення для міжміського квантового зв'язку. Квантові повторювачі використовують обмін заплутаністю та квантову пам'ять для розширення діапазону квантового розподілу ключів за межі, що накладаються втратою фотонів в оптичних волокнах.

Приклад: Міжнародні спільні зусилля зосереджені на розробці квантових повторювачів для створення глобальних мереж квантового зв'язку. Ці проєкти об'єднують дослідників з різних країн для подолання технологічних викликів, пов'язаних зі створенням практичних квантових повторювачів.

Висновок

Маніпуляція одиночними фотонами — це галузь, що швидко розвивається, і має потенціал революціонізувати різні аспекти науки та технологій. Від квантових обчислень і безпечного зв'язку до надчутливої сенсорики та передової візуалізації, здатність контролювати окремі фотони прокладає шлях до квантового майбутнього. У міру розвитку досліджень та появи нових технологій, маніпуляція одиночними фотонами, безсумнівно, відіграватиме все більш важливу роль у формуванні світу навколо нас. Глобальні спільні зусилля в цій галузі гарантують, що інновації та досягнення будуть поширені та принесуть користь усім націям.