Fale spinowe łączą się w pary jak fotony

Dwaj pierwsi autorzy publikacji pracujący przy układzie pamięci kwantowej na Uniwersytecie Warszawskim. (Źródło: M. Parniak & M. Mazelanik, FUW)

Gdy dwa identyczne fotony padają z dwóch stron na płytkę światłodzielącą, oba zawsze wychodzą z tej samej strony - łączą się w parę. Podstawowym zastosowaniem tego kwantowego efektu, znanego jako interferencja Hong-Ou-Mandela, jest testowanie elementów tworzących kwantowe układy logiczne. Doktoranci Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego pracujący w  Laboratorium Pamięci Kwantowych zademonstrowali realizację tego efektu dla kwazicząstek przechowywanych w pamięci kwantowej, zwanych falami spinowymi. Użycie nowatorskiej metody manipulacji falami spinowymi z użyciem projektora laserowego pozwoliło na realizację odpowiednika płytki światłodzielącej dla fal spinowych i obserwację interferencji Hong-Ou-Mandela dla tych kwazicząstek. Zademonstrowana metoda jest pierwszym krokiem na drodze do realizacji rekonfigurowalnych układów kwantowych z pamięcią, znajdujących zastosowanie między innymi w komunikacji kwantowej na duże odległości.

Na Wydziale Fizyki UW w Laboratorium Pamięci Kwantowych (LPK), prowadzonym przez dr hab. Wojciecha Wasilewskiego, od 2016 roku powstawała nowa pamięć kwantowa oparta o zimne atomy rubidu. W ciągu ostatnich lat zespół naukowców pokonywał kolejne przeszkody, przekształcając abstrakcyjne idee w konkretne pomysły. Na pierwszym etapie uruchomione zostały mechanizmy stabilizacji laserów, pozwalające na uzyskanie zimnej chmury atomów w pułapce magnetooptycznej. Od tego momentu uczeni wkroczyli na nieprzetarty szlak, którego pokonywanie wymagało rozwiązania szeregu zagadek. Zaowocowało to prezentacją w prestiżowym czasopiśmie Nature Communications najpojemniejszej na świecie pamięci kwantowej. Jednak sama pamięć była tylko fundamentem, na którym miały się oprzeć realizacje kolejnych idei. W tym celu badacze skonstruowali moduł projektora kształtującego wiązkę jednego z laserów. Precyzyjna analiza teoretyczna w połączeniu z wielokrotną i uważną weryfikacją eksperymentalną umożliwiła znalezienie obrazów, których wyświetlanie pozwala na manipulację przechowywanymi w pamięci stanami. Rozmaite rodzaje takich manipulacji opisują kolejne publikacje zespołu, z których najważniejsza ukazała się w prestiżowym czasopiśmie Physical Review Letters i została wyróżniona na okładce numeru 6 w tym roku.

W zbudowanej pamięci stany światła przechowywane są w postaci kolektywnych wzbudzeń atomowych, zwanych falami spinowymi. Każda taka pojedyncza fala odpowiada jednemu “zamrożonemu” w pamięci fotonowi. Ponadto, tak samo jak fotony, fale spinowe są bozonami. Dlatego na skutek interferencji i one łączą się w pary. Demonstrację takiego efektu można traktować jako podstawowy test pokazujący jednocześnie zdolność generowania pojedynczych fal w pamięci, jak i precyzyjnego ich kontrolowania. Podstawową trudnością realizacji tego eksperymentu było uzyskanie odpowiednika płytki światłodzielącej dla fal spinowych. Doktoranci Wydziału Fizyki pracujący w LPK wykorzystali do tego moduł projektora laserowego.

Opracowana metoda pozwala na modyfikację fazy zamrożonych w postaci fal spinowych fotonów, dzięki czemu możliwa jest realizacja odpowiedników podstawowych elementów optycznych, takich jak soczewka czy siatka dyfrakcyjna. Precyzyjna analiza pozwala znaleźć kształt siatki wywołującej efekt analogiczny do płytki światłodzielącej. Jej użycie pozwoliło zaobserwować kwantowy efekt Hong-Ou-Mandela dla fal spinowych. Wyniki wskazują, że zaproponowana metoda zachowuje spójność stanów kwantowych, co z kolei oznacza, że może być ona w przyszłości stosowana w urządzeniach do przetwarzania informacji kwantowej.

Jednym z takich urządzeń jest tak zwany quantum repeater - urządzenie pozwalające na przesył splątanych par fotonów na duże odległości. Fotony te następnie wykorzystuje się w protokole całkowicie bezpiecznej komunikacji kwantowej. Kluczowym elementem quantum repeatera jest właśnie pamięć kwantowa. Ponadto, gdy do jego budowy użyje się pamięci o dużej pojemności z możliwością modyfikacji przechowywanego fotonu, cały proces przesyłu splątania można przyspieszyć poprzez jego zrównoleglenie.

PUBLIKACJE NAUKOWE:

KONTAKT:

POWIĄZANE STRONY WWW:

MATERIAŁY GRAFICZNE: