Нелинейность волновода с квантовой точкой помогла запутать фотоны

Европейские физики подробно исследовали взаимодействие одиночных фотонов в фотоннокристаллическом волноводе, содержащем квантовую точку. Они показали, что, варьируя длительности импульсов и их задержку, можно добиться различной степени нелинейности, а также управлять степенью скоррелированности световых квантов. Исследование опубликовано в Nature Physics.

В обычной жизни мы практически не сталкиваемся с ситуацией, в которой пересекающиеся лучи света влияют друг на друга. Так происходит потому, что уравнения, описывающие распространение света, например, в воздухе, стекле или воде, линейны, а значит, их можно решать независимо для каждого пучка света. Тем не менее, в этом все же есть некоторое приближение, поскольку в той или иной степени нелинейность проявляют все среды, даже вакуум.

С квантовой точки зрения нелинейность представляет собой фотон-фотонное взаимодействие. Несмотря на то, что нелинейная оптика существует уже почти целое столетие, физики не могут сделать силу этого взаимодействия достаточно большой, чтобы заставить фотоны образовывать материю (и, например, изготовить световой меч), хотя некоторые успехи в этом направлении все же имеются.

Куда более приземленным стало использование оптической нелинейности для создания полностью фотонных схем для работы с классической или квантовой информацией. Так, для изготовления оптического транзистора, нужно, чтобы прохождение через него одного фотона, зависело от наличия или отсутствия другого фотона. Если один из фотонов находится в состоянии квантовой суперпозиции по отношению к этому процессу, это приведет к запутанности фотонов. Эффективность полностью оптических схем напрямую зависит от силы фотон-фотонного взаимодействия, поэтому физики пробуют различные физические платформы, чтобы сделать его максимально интенсивным и быстрым.

Ханна Ле Жанник (Hanna Le Jeannic) из Копенгагенского университета с коллегами из Германии, Дании и Испании использовали для этой цели квантовую точку, помещенную в волновод. Такая конфигурация позволила им добиться сильной связи между распространяющейся модой и эмиттером, что обеспечило нелинейность на уровне одиночных фотонов. Они продемонстрировали на этой платформе, как один фотон управляет распространением другого, а также как два фотона могут запутаться, рассеиваясь на квантовой точке.

В роли эмиттера в эксперименте физиков выступал нейтральный экситон, возбуждаемый в квантовой точке из InGaAs. Они помещали частицу внутрь волновода, сформированного в толще фотонного кристалла на основе GaAs. Температура образца была равна четырем кельвинам в течение всего времени эксперимента. Это позволило уменьшить влияние фононов на когерентные процессы, а также сузить ширину перехода до 755 мегагерц при времени жизни возбужденного состояния квантовой точки, равного 229 пикосекунд.

Взаимодействие между фотонами в такой схеме было обусловлено тем, что один из световых квантов, отстроенный от резонанса в квантовой точке, смещал ее уровни за счет динамического штарковского сдвига. Физики убедились в этом, проведя измерение в режиме накачки-зондирования, где, меняя свойства лазера накачки (отстройку, световой поток), следили за тем, проходит ли зондирующий фотон или отражается.

На втором этапе эксперимента авторы изучали, как меняются свойства импульса, содержащего два фотона. Они могли менять длительности импульсов и интервал между ними, что в совокупности с временем жизни экситона создавало несколько временных масштабов. Их комбинация позволяла переключаться степень линейности распространения и степень скоррелированности проходящей фотонной пары.

Так, если оба фотона были разделены на время, большее, чем время жизни возбужденного состояния, взаимодействия между ними не было. При этом, когда длительность импульсов была порядка этого времени, на вероятности прохождения фотонов через квантовую точку начинали влиять эффекты квантовой интерференции.

Иная ситуация имело место, когда задержка между импульсами была минимальна. В этом случае измеренная авторами корреляционная функция второго порядка с временным разрешением имела сложную форму, что свидетельствовало о нелинейном взаимодействии. При увеличении длительности импульсов функция вырождалась в прямую линию, сигнализируя о сильной корреляции между фотонами. Плавный контроль над всеми временными параметрами и исследование корреляций между прошедшими и отраженными фотонами позволили ученым увидеть, как режим возбуждения квантовой точки сменяется насыщением и вынужденным излучением, а также спонтанным излучением, и как эти режимы различаются при больших и малых интервалах между фотонами.

Установка нескольких квантовых точек друг за другом могла бы усложнить корреляции для большего числа фотонов, что можно было бы использовать для генерации запутанных многокубитных состояний света. Ранее мы рассказывали, как такие состояния предлагают получать с помощью одиночных атомов в резонаторе и метаповерхностей.

Марат Хамадеев