Wyniki opublikowano w prestiżowym międzynarodowym czasopiśmie naukowym „Laser & Photonics Reviews”.

Gdy krótki impuls laserowy trafi na małą strukturę - np. kropkę kwantową czy inny element półprzewodnika, a więc bardzo dobrze już poznane i zbadane struktury - wzbudza go. Aby wrócić do swojego podstawowego poziomu, struktura ta musi wyemitować foton - o bardzo specyficznych dla niej właściwościach. Ten efekt był znany od dawna, bo takie światełko powstawało przy okazji innych efektów. Teraz jednak warto zastanowić się nad wykorzystaniem tego zjawiska w nowy sposób.

Doktor Juan Camilo López Carreño z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN zwrócił uwagę, że taki proces wyświecania fotonu przez strukturę może stać się dobrym źródłem dającego się precyzyjnie kontrolować światła kwantowego - np. na potrzeby kryptografii kwantowej. To nie laser będzie bezpośrednim źródłem światła, ale cel, w który laser świeci.

Ważne jest to, że struktura ta jest w stanie wyemitować tylko jeden foton naraz. Potem musi chwilkę odczekać, zanim znowu się „naładuje” - ulegnie wzbudzeniu - i będzie mogła wyemitować kolejny foton. Dr López Carreño wykazał, że fotony z takiego kwantowego źródła mają lepsze właściwości - rzadko „sklejają się” ze sobą w czasie, ale pojawiają się pojedynczo, w bardziej uporządkowany sposób i lepiej ze sobą współpracują.

A taka właściwość światła - nazywana antibunchingiem (antygrupowaniem) jest bardzo pożądana w technologiach kwantowych. Tam bowiem ważne jest to, żeby fotony leciały pojedynczo, jeden po drugim, a nie w grupach. A im silniejszy antibunching, tym lepsze źródło do kryptografii.

Wystarczy system luster i filtrów, aby skierować te pojedyncze fotony tam, gdzie są potrzebne. Okazuje się, że nowy rodzaj emiterów - źródeł światła kwantowego - jest więc bliżej, niż się spodziewano.

Drugą ważną rzeczą jest to, że światło kwantowe - czyli światło pochodzące od innego źródła kwantowego - sprawia, że kolejne fotony są podobne do siebie. W praktyce fotony emitowane w ten sposób osiągają około 95 procent identyczności, podczas gdy przy tradycyjnym świetle wartość ta wynosi zaledwie 91 procent.

Dodatkowo, światło przyjmuje postać skoncentrowaną w wąskim zakresie częstotliwości, co ma kluczowe znaczenie dla zastosowań technologicznych.

Odkrycia doktora Lópeza Carreño mogą mieć też zastosowanie w budowie bezpiecznych sieci komunikacyjnych opartych na mechanice kwantowej. Światło o precyzyjnie kontrolowanych właściwościach, które powstaje w opisanych badaniach, może być wykorzystane do przesyłania informacji w całkowicie nowy sposób – praktycznie niemożliwy do przechwycenia lub sfałszowania.

Fizyk wychodzi też z założenia, że to podejście może pomóc w budowie optycznych komputerów kwantowych i poprawieniu jakości kubitów bez wielkiego wysiłku technologicznego. „Jeśli chcesz mieć optyczną kwantową sieć neuronową, potrzebujesz źródeł pojedynczych fotonów” - mówi w rozmowie z PAP naukowiec. I dodaje, że rozwiązania tego typu pozwoliłoby nam testować możliwości komputerów kwantowych.

„Jeśli zmienimy sposób myślenia i zamiast klasycznego źródła wzbudzenia - lasera - użyjemy źródła kwantowego, możemy wykorzystać tę kwantową naturę światła, by dzięki niemu wygenerować sygnał wyjściowy o znacznie lepszej jakości. To apel, by dostrzec, że klasyczne wzbudzanie to nie koniec możliwości. Każdy w swoim laboratorium może to zrobić – wystarczą lustra i filtry – by poprawić jakość sygnału bez wydawania fortuny na nowe emitery” - podsumowuje badacz.

Praca została sfinansowana ze środków Narodowego Centrum Nauki.

Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ zan/