Strona główna Aktualności
Technologie

Pierwszy fotonowy „scalak” skonstruowali fizycy UW

09.02.2017 Technologie, Innowacje

Serce układu do generowania grup fotonów, czyli szklana komórka wypełniona gorącymi parami gazu. W wyniku oświetlenia komórki laserem są emitowane fotony o długości fali w zakresie podczerwieni. Źródło: FUW, Mateusz Mazelanik

Generowanie pojedynczych fotonów w grupach liczących po kilkadziesiąt i więcej sztuk na żądanie umożliwia pierwszy fotonowy „scalak” - skonstruowany przez fizyków Uniwersytetu Warszawskiego. Przyrząd usuwa kolejną przeszkodę na drodze do budowy jednej z odmian komputerów kwantowych.

Całkowicie bezpieczne, kwantowe łącza o dużej przepustowości, a nawet konstrukcja jednej z odmian komputerów kwantowych – to możliwe zastosowania nowego źródła pojedynczych fotonów, zbudowanego na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW).

 

Jak podają eksperci FUW w przesłanym PAP komunikacie, niespotykaną do tej pory cechą właśnie zaprezentowanego urządzenia jest to, że po raz pierwszy pozwala ono na żądanie wyprodukować nie pojedynczy foton, a ich dużą, precyzyjnie kontrolowaną grupę.

 

"W stosunku do dotychczasowych rozwiązań i pomysłów nasz przyrząd charakteryzuje się znacznie większą wydajnością i skalą integracji. W sensie funkcjonalnym można nawet o nim myśleć jak o działającym na pojedynczych fotonach pierwszym odpowiedniku małego układu scalonego” - mówi dr hab. Wojciech Wasilewski (FUW), jeden ze współautorów publikacji w czasopiśmie „Physical Review Letters”.

 

Pierwsze źródła pojedynczych fotonów powstały jeszcze w latach 70. XX wieku i choć ich dzisiejsze różne wersje nadal mają wiele wad, pojedyncze fotony można już z powodzeniem stosować np. do realizowania gwarantujących pełną dyskrecję protokołów komunikacji kwantowej. Do wykonywania złożonych obliczeń kwantowych potrzebne byłyby jednak całe grupy fotonów.

 

Jak podaje FUW, najprostsza metoda wytworzenia grup fotonów polega na użyciu odpowiednio dużej liczby źródeł. Rozpowszechnionymi źródłami pojedynczych fotonów są dziś urządzenia wykorzystujące zjawisko spontanicznego parametrycznego podziału częstości (Spontaneous Parametric Down-Conversion, SPDC). W określonych warunkach dochodzi tu do podziału fotonu wygenerowanego przez laser na dwa nowe o energiach dwukrotnie mniejszych i pozostałych cechach wzajemnie powiązanych przez zasady zachowania energii i pędu. Zarejestrowanie jednego fotonu z pary dostarcza więc informacji nie tylko o nim, ale także o istnieniu i cechach drugiego fotonu, niezaburzonego przez obserwację – a zatem idealnie się nadającego do operacji kwantowych. Niestety, każde źródło SPDC wytwarza pojedyncze fotony dość wolno i w sposób czysto przypadkowy. W efekcie na jednoczesną emisję z zaledwie 10 źródeł trzeba byłoby czekać nawet kilka lat.

 

"W 2013 roku zespół brytyjskich fizyków z uniwersytetów w Oxfordzie i Londynie zaproponował znacznie bardziej wydajny protokół wytwarzania grup fotonów. Pomysł polegał na umieszczeniu przy każdym źródle pamięci kwantowej, zdolnej do przechowania wyemitowanego fotonu. Zmagazynowane w pamięciach fotony można byłoby w pewnym momencie jednocześnie uwolnić. Wyliczenia wskazywały, że oczekiwanie na grupę 10 fotonów skracałby się wtedy o oszałamiające dziesięć rzędów wielkości: z lat do mikrosekund" - czytamy w przesłanym komunikacie.

 

Zaprezentowane na FUW źródło jest pierwszą realizacją opisanego pomysłu, na dodatek znacznie bardziej zintegrowaną: tu wszystkie fotony powstają od razu wewnątrz pamięci kwantowej, w wyniku działania trwającego mikrosekundy impulsu laserowego. Zewnętrzne źródła pojedynczych fotonów przestały być w ogóle potrzebne, a liczba niezbędnych pamięci kwantowych zmalała do zaledwie jednej.

 

"Cały nasz układ eksperymentalny zajmuje na stole optycznym powierzchnię mniej więcej dwóch metrów kwadratowych. Wszystkie najważniejsze rzeczy dzieją się jednak w samej pamięci, czyli w cylindrze o długości ok. 10 cm i średnicy 2,5 cm" - opisuje doktorant Michał Dąbrowski (FUW).

 

Nowa pamięć, zbudowana dzięki grantom PRELUDIUM i SONATA Narodowego Centrum Nauki oraz środkom projektu PhoQuS@UW, jest wielomodowa przestrzennie: poszczególne fotony można umieścić, przechować, przetworzyć i odczytać w różnych obszarach przestrzeni wewnątrz cylindra, pełniących rolę wydzielonych komórek pamięci. Operacja zapisu, wykonywana za pomocą wiązki lasera, w praktyce polega na utrwaleniu w postaci wzbudzeń atomowych pewnego przestrzennego wzorca – hologramu. Oświetlenie układu laserem pozwala odtworzyć hologram i odczytać zawartość pamięci.

 

W przeprowadzonych doświadczeniach nowe źródło generowało grupy fotonów liczące do 60 sztuk. Obliczenia wskazują, że w realistycznych warunkach użycie laserów o większej mocy pozwoliłoby zwiększyć tę liczbę nawet do kilku tysięcy.

 

Działające źródło dużych grup fotonów to istotny krok na drodze do skonstruowania jednej z odmian komputera kwantowego, zdolnego przeliczać pewne zagadnienia w czasie wielokrotnie krótszym niż najlepsze współczesne maszyny liczące. Już kilkanaście lat temu wykazano bowiem, że wykonując na fotonach proste operacje z zakresu optyki liniowej można otrzymać wzrost szybkości charakterystyczny dla obliczeń kwantowych. Złożoność takich obliczeń zależy jednak od liczby jednocześnie przetwarzanych fotonów. Brak źródeł dużych grup fotonów powodował, że dotychczas liniowe komputery kwantowe nie mogły rozwinąć skrzydeł, ograniczając swoje działanie do elementarnych operacji matematycznych.

 

Oprócz obliczeń kwantowych fotonowy „scalak” może znaleźć zastosowania w komunikacji kwantowej. Obecnie realizuje się ją przesyłając światłowodem pojedyncze fotony. Nowe źródło pozwalałoby wprowadzić do światłowodu wiele fotonów jednocześnie, a zatem wielokrotnie zwiększałoby przepustowość łączy kwantowych.

 

PAP - Nauka w Polsce

 

ekr/ agt/

Tagi: fuw
W

Wojciech Wasilewski (po lewej) i Michał Dąbrowski z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego demonstrują generator pojedynczych fotonów oparty na holograficznej pamięci kwantowej. Komórka szklana z gazem znajduje się tu wewnątrz ekranu magnetycznego służącego do eliminowania zewnętrznych zakłóceń. Źródło: FUW, Mateusz Mazelanik

Podziel się
Ocena: 0 głosów

Logowanie



Nie pamiętam hasła

Rejestracja

Komentarze: 0
Skomentuj Zobacz wszystkie  

Uwaga Redakcje!

Wszelkie materiały PAP (w szczególności depesze, zdjęcia, grafiki, pliki video) zamieszczone w serwisie "Nauka w Polsce" chronione są przepisami ustawy z dnia 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych oraz ustawy z dnia 27 lipca 2001 r. o ochronie baz danych.

 

PAP S.A. zezwala na bezpłatny przedruk artykułów z Serwisu Nauka w Polsce pod warunkiem mailowego poinformowania nas raz w miesiącu o fakcie korzystania z serwisu oraz podania źródła artykułu. W portalach i serwisach internetowych prosimy o zamieszczenie podlinkowanego adresu: Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl a w czasopismach adnotacji: Źródło: Serwis Nauka w Polsce - www.naukawpolsce.pap.pl. W przypadku portali społecznościowych prosimy o umieszczenie jedynie tytułu i leadu naszej depeszy z linkiem prowadzącym do treści artykułu na naszej stronie, podobnie jak to jest na naszym profilu facebookowym. 

 

Powyższe zezwolenie nie dotyczy: informacji z kategorii "Świat" oraz wszelkich fotografii i materiałów video.

 

Informacje tekstowe z kategorii "Świat" można pozyskać odpłatnie abonując Serwis Nauka i Zdrowie PAP. Serwis ten zawiera ponadto wiele innych najnowszych doniesień naukowych z zagranicy oraz materiałów dotyczących szeroko rozumianej problematyki zdrowotnej. 

 

Informacje na temat warunków umowy można uzyskać w Dziale Sprzedaży i Obsługi Klienta PAP, tel.: (+48 22) 509 22 25, e-mail:  pap@pap.pl

 

Informacje o przedruku artykułów z Serwisu Nauka w Polsce, prośby o patronaty medialne, informacje o prowadzonych badaniach, organizowanych konferencjach itd., prosimy przesyłać na adres: naukawpolsce@pap.pl

 

 

Najpopularniejsze materiały

więcej

Książka

Tajemnice grzybów - dla niewtajemniczonych Tajemnice grzybów - dla niewtajemniczonych

Czy wiedzieliście, że grzyby można spotkać nawet na pustyniach czy w oceanach? Albo wykorzystać jako... planistów ruchu? Każdy, kto czuje się gotów na wprowadzenie do swojego życia tych i innych ciekawostek okołogrzybowych, powinien sięgnąć po książkę "Tajemnicze życie grzybów".

Więcej

Myśl na dziś

Dobrze zrozumiana nauka chroni człowieka przed pychą, gdyż ukazuje mu jego granice.
Albert Schweitzer

Nasz blog

Tabletka Matuzalema Tabletka Matuzalema

Naukowcy coraz lepiej poznają biologiczne podstawy starzenia; udaje im się nawet wydłużyć życie niektórych organizmów. Według autorów tych dokonań może to zaowocować nowymi terapiami i zwiększeniem liczby przeżywanych w zdrowiu lat. Według innych badań już dziś wiele w tym względzie można zdziałać dietą.

Więcej

Tagi