211service.com
Eerste kwantumgeheugen dat de vorm van een enkel foton vastlegt, onthuld in China
Fotonen zijn de werkpaarden van moderne communicatie. Op dit moment dragen ze informatie over het algemeen in lichtpulsen die uit veel fotonen bestaan, maar natuurkundigen zijn al in staat om in plaats daarvan enkele fotonen te gebruiken en gegevens in hun eigen structuur te coderen.
Een manier om dit te doen is om het baanimpulsmoment van het foton te gebruiken, een maat voor zijn heliciteit. Dus in plaats van te reizen als een gewone platte golf, kan het foton worden gezien als een helix met links- of rechtshandigheid die in verschillende mate is gedraaid.
Natuurkundigen kunnen deze handigheid en de hoeveelheid draaiing gebruiken om gegevens te coderen in de vorm en structuur van het foton zelf. Dit heeft grote voordelen ten opzichte van de manier waarop natuurkundigen tegenwoordig fotonen exploiteren.
De conventionele manier waarop natuurkundigen dit doen, is door polarisatie te gebruiken. Een foton kan twee verschillende polarisatietoestanden hebben: horizontaal of verticaal. Het is eenvoudig om fotonen in de ene of de andere staat te maken en deze te gebruiken om gegevens te coderen.
Het grote voordeel van baanimpulsmoment is dat een foton kan worden geproduceerd in een oneindig aantal verschillende toestanden van handigheid en verdraaiing. Dat betekent dat een enkel foton in principe een willekeurig grote hoeveelheid informatie kan bevatten.
Het is dus geen verrassing dat onderzoekers gretig zoeken naar manieren om fotonen te maken en te detecteren met verschillende ruimtelijke structuren die informatie kunnen dragen.
Maar wat ze misten, is een manier om deze fotonen op te slaan - inclusief hun gedetailleerde vorm en structuur - en ze later weer vrij te geven.
Vandaag zeggen Dong-Sheng Ding en vrienden van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China in Hefei dat ze dit probleem voor het eerst hebben opgelost.
Deze jongens hebben een enkel foton met een complexe ruimtelijke structuur gegenereerd, dat foton opgeslagen in een wolk van rubidium-atomen en het vervolgens tot 400 nanoseconden later vrijgegeven. In hun experiment vergelijken ze de structuur van de fotonen die uit de opslag komen met de structuur van de fotonen die erin gaan en zeggen dat ze min of meer identiek zijn. De ruimtelijke structuur van het foton is heel goed bewaard gebleven, zeggen ze.
Dat is een potentieel belangrijke vooruitgang. Andere groepen hebben soortgelijke pogingen ondernomen om fotonen op deze manier op te slaan, maar alleen door laserstralen te gebruiken die zo zwak zijn dat ze waarschijnlijk op elk moment een enkel foton bevatten. Er is echter geen manier om er zeker van te zijn dat de experimenten wel degelijk enkele fotonen omvatten.
Dong-Sheng en co verbeteren dit door hun fotonen afzonderlijk te maken, met behulp van een proces dat bekend staat als spontane viergolfmenging. Dit betekent dat ze er zeker van kunnen zijn dat de experimenten enkele fotonen omvatten in plaats van een ensemble ervan. We rapporteren over de eerste experimentele realisatie van het opslaan van een echt enkel foton met een baanimpulsmoment in een koud atomair ensemble, zeggen ze.
De mogelijkheid om afzonderlijke fotonen op te slaan en vrij te geven, is een van de technologieën die een kwantuminternet mogelijk maken. Deze kwantumopslagapparaten zijn de sleutel tot kwantumrouters. Het is duidelijk dat herinneringen die de ruimtelijke structuur van de fotonen kunnen behouden, dit soort router, en het internet dat het mogelijk maakt, veel flexibeler en capabeler zullen maken.
Natuurlijk zijn de technologieën die uiteindelijk het kwantuminternet van de toekomst zullen maken, afhankelijk van vele andere factoren, waarvan niet in de laatste plaats een flinke dosis geluk. Maar gezien de vele vorderingen die Chinese laboratoria de afgelopen jaren hebben gemaakt op dit gebied, zou alleen een dwaas durven wedden dat Chinese technologie een belangrijke rol speelt in de manier waarop we in de toekomst kwantumcommunicatie hebben.
Referentie: http://arxiv.org/abs/1305.2675 : Single-Photon-Level Quantum Image Memory Gebaseerd op Cold Atomic Ensembles