Identické částice světla (fotony) jsou důležité pro mnoho technologií založených na kvantové fyzice. Výzkumníci nyní dokázali připravit identické fotony na různých místech – v různých kvantových tečkách. Podle studie publikované v Nature Nanotechnology má jít důležitý krok směrem k aplikacím, jako je komunikace odolná proti odposlechu a kvantový internet.
Mnoho technologií, které využívají kvantové efekty, je založeno na přesně stejných (identických) fotonech. Výroba takových fotonů je však obtížná. Nejenže musí mít přesně stejnou vlnovou délku (barvu), ale musí se také shodovat jejich polarizace.
Týmu vědců vedenému Richardem Warburtonem z Basilejské univerzity se nyní ve spolupráci s kolegy z univerzity v Bochumi podařilo vytvořit identické fotony pocházející z různých a od sebe i značně vzdálených zdrojů. Fyzikové při svých experimentech použili tzv. kvantové tečky, struktury v polovodičích o velikosti jen několika nanometrů. V kvantových tečkách jsou elektrony uvězněny tak, že mohou nabývat pouze konkrétních hladin energie (kvantová tečka je v tomto ohledu obdobou atomu). Při přechodu z jedné hladiny na druhou se vyzařuje světlo. Pomocí laserového pulzu, který takový přechod spustí, lze tedy jednoduše vytvářet jednotlivé fotony (elektron vyskočí na vyšší hladinu a vyzáří světlo při přeskoku zpět).
Dřívější techniky v této oblasti vyžadovaly vytvořit obrovské množství fotonů a pak pomocí optických filtrů vybírat ty, které si byly nejvíce podobné. Tento způsob byl ovšem neefektivní, R. Warburton a jeho spolupracovníci proto zvolili jiný přístup. Nejprve vyrobili extrémně čistý arsenid gallia a z něho pak jednotlivé kvantové tečky. Rozdíly mezi různými kvantovými tečkami tak mohly být omezeny na minimum. Následně vědci pomocí elektrod vystavili dvě kvantové tečky přesně vyladěnému elektrickému poli. Tato pole změnila energetické hladiny kvantových teček a byla nastavena tak, aby fotony emitované kvantovými tečkami měly přesně stejnou vlnovou délku.
Aby vědci prokázali, že fotony jsou skutečně nerozlišitelné, vysílali je na speciální zrcadlo. Zjistilo se, že téměř pokaždé fotony buď zrcadlem prošly jako pár, nebo se jako pár odrazily. Z tohoto pozorování vyplynulo, že fotony jsou identické v 93 %. Jinými slovy, fotony tvořily dvojčata, přestože vznikaly zcela nezávisle na sobě a na různých místech.
Kromě toho se vědcům podařilo realizovat důležitý stavební prvek kvantových počítačů, tzv. (kvantové) řízené hradlo NOT (CNOT). Tato hradla lze použít k realizaci kvantových algoritmů.
Liang Zhai et al, Quantum interference of identical photons from remote GaAs quantum dots, Nature Nanotechnology (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01131-2
Zdroj: University of Basel / Phys.org
