İsviçre ve Almanya’dan bilim insanları, fotonları tek tek veya birkaçını aynı anda üretip manipüle edebilen bir kuantum fotonik kapı oluşturdular. Bu cihaz, kuantum teknolojilerinin geliştirilmesinde, özellikle de optik kuantum bilgisayarların oluşturulmasında önemli bir adımdır.
Böyle bir valf oluşturmak için bilim adamlarının, fotonlar arasındaki etkileşimi kontrol etmelerine olanak sağlayacak özel bir ortam geliştirmeleri gerekiyordu. Bunu başarmanın bir yolu, belirli durumlara dayalı olarak fotonlar yayan “tek boyutlu atom” adı verilen atomu kullanmaktır.
Basel Üniversitesi’nden Richard Warburton liderliğindeki bir araştırmacı ekibi, kuantum noktası kullanarak böyle bir fotonik kapı yarattı. Kuantum noktası, optik ve elektronik özellikleri kuantum mekaniği kurallarına göre yönetilen nanometre boyutunda bir nesnedir.
Cihaz, optik bir boşluğun iki yansıtıcı duvarı arasına gömülü bir kuantum noktasından oluşuyor. Tek bir foton veya birden fazla foton olan fotonik durumlardan oluşan zayıf lazer ışığı, boşluğa yukarıdan girer ve kuantum noktasıyla çarpışır. Noktanın enerji seviyelerinde fotonun enerjisiyle eşleşen bir fark varsa kuantum noktası onu emer.
Yukarıdan gelen fotonik durum iki veya daha fazla fotondan oluşuyorsa, bu durumun kuantum noktasıyla etkileşimi değişir ve giden durumun polarizasyonu (elektrik alanının yönü) değişir. Noktanın tepesine yerleştirilen bir polarizasyon filtresi (“ışın bölücü”) ile yansıtılan tek yayılan fotonlar bir yönde (port 1) hareket eder ve yansıyan çoklu foton durumları diğer yönde (port 2) yansıtılır.
Böylece gelen ışın tek fotonlu ve çoklu fotonlu hallere bölünür. Birkaç farklı fotonik durumdan oluşan bir kaynak, kuantum teknolojilerinde, optik bilgisayar devrelerinde veya diğer uygulamalarda kullanılabilen tek fotonlu bir ışınla sonuçlanır. Cihaz, tek fotonlar için ayna görevi görüyor.
Ekip, deneylerinde, gelen ışının %99,2’sinin çoklu foton durumlarına bölündüğünü ve geride saf tek fotonlar kaldığını, bunun da kuantum noktası ile optik boşluk arasındaki etkileşimin yüksek verimliliğini gösterdiğini buldu. Doğrusal olmamanın bir ölçüsü olan foton kalabalıklaşmasının bir ölçüsü olan ikinci dereceden korelasyon fonksiyonunun ölçümü, 587 değerini verdi.
Bu değer bir rekordur ve diğer deneysel kurulumlardan elde edilen önceki en iyi değeri 29 kat aşmaktadır. Boşluk konfigürasyonu, iletilen ışığın, kurulumda harici değişiklikler olmadan kuantum noktasının optik boşluğa göre hareket ettirilmesiyle ayarlanmasına ve manipüle edilmesine olanak tanır.
Bu, nokta ile boşluk arasındaki bağlantıyı değiştirir. İletilen fotonların güçlü demetlenmesi aslında anti-toplanma olarak değiştirilebilir. “Bir kuantum noktası, foton sayısına bağlı olarak tamamen farklı davranır. Araştırmacılar, yalnızca çoklu foton durumlarının iletildiğinden dolayı bu durum kümelenmeye yol açıyor” diye yazıyor. Gözlemlenen foton sayılarını ayırt etmek, bireysel fotonlar düzeyinde etkileşime izin verir.
Bu sonuçlar, iki veya daha fazla fotonun birbirine yakın tutulduğu birleşik fotonik durumların faydalı bir şekilde yaratılmasına yol açabilir. Fotonlar genellikle birbirleriyle etkileşime girmez, bu da fiber optik iletişim için yararlı bir özelliktir. Bununla birlikte, klasik ve kuantum bilgi işleme gibi bazı uygulamalar için, fotonlar arasındaki etkileşimler arzu edilir, ancak bu çalışmada geliştirilen gibi oldukça doğrusal olmayan bir ortam gerektirir.
Bu tür doğrusal olmayan fotonik süreçler, foton frekansı dönüşümü, ışık amplifikasyonu ve ışık algılama gibi uygulamalarda halihazırda kullanılmaktadır. Bu cihaz tarafından üretilen diğer egzotik fotonik durumlar, kontrollü bir ortamda birçok vücut olgusunun anlaşılmasında faydalı olabilir.
