实现光子之间有效相互作用的新方法

图:在波导中传播的两个光子与单量子发射器相互作用。光子-光子相互作用，这会导致相关性。来源：Le Jeannic et al.

       光子是代表光量子的粒子，在发展新的量子技术方面显示出巨大的潜力。更具体地说，物理学家一直在探索创造光子量子比特（信息的量子单位）的可能性，这种量子比特可以使用光子进行远距离传输。

       尽管已经取得了一些有希望的成果，但在光子量子位大规模成功实现之前，仍需要克服一些障碍。例如，已知光子容易受到传播损失的影响（即从一个点传播到另一个点时能量、辐射或信号的损失），并且不会相互作用。

       西班牙IFF-CSIC和德国Ruhr Universityät Bochum的研究人员最近新的研究成果，可以帮助克服这些挑战之一，即缺乏光子相互作用。他们的方法发表在《Nature Physics》上，这可能最终有助于开发更复杂的量子器件。

       这项研究的研究人员之一 Peter Lodahl表示：“15年来，我们一直致力于单量子发射器（量子点）与单光子之间的确定性连接，并研究了一种基于纳米光子波导的非常强大的方法。”，我们通常将这些设备用于确定性单光子源和多光子纠缠源，但另一个可能的应用是诱导光子的非线性作用。

       Lodahl和他的同事在2015年首次实现了使用单个光子进行非线性操作的原理验证。然而，当他们进一步研究这种效应时，他们在理解这种复杂、单光子和非线性相互作用的基础物理方面遇到了困难。

       Lodahl说：“在我们之前的工作中，我们发现控制光脉冲非线性相互作用的物理学非常复杂，并为构建光子量子门和光子分类机提供了一些新的机会。”。“我们对非线性量子脉冲进行了首次实验研究，该脉冲由于与确定性耦合的量子发射器耦合而发生非线性相互作用。”

       在他们的新实验中，研究人员利用单个量子发射器与纳米光子波导的高效相干耦合，实现了单个光子波包之间的非线性量子相互作用。为此，他们使用了一个单个量子点，一个纳米大小的粒子，其行为类似于两能级原子，嵌入光子晶体波导中。

       Lodahl解释说：“在这种系统中，耦合是确定的，所以即使一个光子发射到波导中，也会与量子点相互作用。”。发送包含两个或更多光子的脉冲会导致量子关联，因为一次只能有一个光子与量子点相互作用。通过控制量子脉冲的持续时间，我们可以调整这些关联以及光子之间的相互作用

       使用他们的实验方法，Lodahl和他的同事基本上能够使用第二个光子来控制光子，这是由他们的量子发射器介导的。换句话说，他们成功地实现了非线性光子-光子相互作用。

       Lodahl说：“我们开发了一种方法，通过与量子点的耦合，使光子能够有效地相互作用。”。“我们认为，这可能为制造光子-光子量子门（光子量子计算中的逻辑门）或确定性光子分类设备开辟新的方向，这些设备对于量子中继器等至关重要。”

       这个研究团队提出的新策略可能对量子物理研究和量子技术的发展都具有重要意义。例如，他们的方法可以为量子光学器件的发展开辟新的可能性，同时也允许物理学家对定制的复杂光子量子态进行实验。

       目前，Lodahl、Le Jeannic及其同事正试图利用最近研究中实现的非线性光子-光子相互作用来模拟分子的振动动力学。这可以通过将复杂分子的振动动力学映射到高级光子电路中光子的传播上来实现。

[1] Hanna Le Jeannic et al, Dynamical photon–photon interaction mediated by a quantum emitter, Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01720-x

[2] Ravitej Uppu et al, Quantum-dot-based deterministic photon–emitter interfaces for scalable photonic quantum technology, Nature Nanotechnology (2021). DOI: 10.1038/s41565-021-00965-6

[3] A. Javadi et al, Single-photon non-linear optics with a quantum dot in a waveguide, Nature Communications (2015). DOI: 10.1038/ncomms9655