فیزیکدانان در انگلستان به روش جدیدی برای ذخیره چند فوتون در گاز اتمی فراسرد دست یافته‌اند که در آن برهمکنش‌های قوی بین فوتون‌های همسایه را می‌توان با میکروویو خاموش و روشن کرد. گروه باور دارد که این روش را می‌توان برای آفرینش دروازه‌های منطقی اپتیکی به کار برد تا در هر لحظه یک تک فوتون پردازش شود. همچنین این روش برای اتصال قطعات محاسبات کوانتومی با فناوری‌های متفاوت مفید است.

فوتون‌های اپتیکی (مرئی) بیت‌های کوانتومی «پروازی» (کیوبیت‌های) بسیار خوبی می‌سازند زیرا می‌توانند بدون از دست دادن اطلاعات کوانتومی، از طریق فیبرها هزاران کیلومتر مسافرت کنند. هرچند، وادار نمودن این فوتون‌ها به برهمکنش با هم یا با کیوبیت‌های «ایستا» مانند کیوبیت‌های یون‌های به دام افتاده یا تکه‌های کوچک ابررسانا، بسیار دشوار است. بنابراین تبادل اطلاعات بین چنین قطعاتی باید خیلی ماهرانه باشد.

آن‌چه که چارلز آدامز (Charles Adams) و همکارانش در دانشگاه دارهام انجام داده‌اند، راهی است برای ذخیره نمودن فوتون‌های اپتیکی منفرد در حالت‌های بسیار برانگیخته یک گاز اتمی. به محض ذخیره  و قبل از رهاسازی فوتون‌ها، می‌توان آن‌ها را وادار به برهمکنش قوی کرد. ویژگی مهم این روش استفاده از میکروویو است که برای کنترل انواعی از کیوبیت‌های ایستا نیز به کار می‌رود.

پولاریتون‌های ریدبرگ

آزمایش دارهام تا ۱۰۰ اتم روبیدیوم را در یک دام اپتیکی نگه‌ می‌دارد. این دام در کانون پرتو یک لیزر و پیش از تاباندن دو پالس نوری بر اتم‌های به دام افتاده، ساخته شده است. یکی از پالس‌ها نور «سیگنال» است که ذخیره می‌شود و دیگری نور «کنترل». نور کنترل اجازه می‌دهد ۱۰ یا تعداد بیشتری اتم روبیدیوم یک تک فوتون را جذب کنند و حالتی تجمعی به نام « پولاریتون ریدبرگ» بسازند. چنین حالتی شبیه یک اتم ریدبرگ است که الکترونی در حالت بسیار برانگیخته دارد – در این مورد با عدد کوانتومی اصلی ۶۰!

وقتی پالس کنترل خاموش می‌شود، فوتون تا حدود ۱ میکروثانیه در پولاریتون ریدبرگ «ذخیره‌شده» باقی می‌ماند. اما اگر دوباره نور کنترل روشن شود، پولاریتون ریدبرگ به نور تبدیل می‌شود و فوتون درون خود را دوباره گسیل می‌کند.

آدام به فیزیک ورلد گفت که این گروه به جای اتم‌های ریدبرگ از پولاریتون ریدبرگ استفاده کرد زیرا جفت‌شدگی قوی بین یک فوتون و یک پولاریتون ریدبرگ وجود دارد (به این خاطر که پولاریتون به جای یک اتم چندین اتم را دربردارد). از این رو احتمال بسیار بیشتری وجود دارد که فوتون در این ابزار گرفتار و ذخیره شود. مزیت دیگر پولاریتون ریدبرگ این است که تنها یک فوتون را جذب می‌کند.

کره‌های میکرو به صف!

هر پولاریتون ریدبرگ را می توان کره‌ای با قطر ۷ میکرومتر فرض کرد. در این صورت ابر اتمی حدود ۳۰ میکرومتر طول و قطری حدود ۶ میکرومتر دارد؛ یعنی حاوی خطی از سه پولاریتون ریدبرگ است. هرچند در عمل همه این پولاریتون‌ها حاوی فوتون نیستند و فوتون‌ها می‌توانند بین این پولاریتون‌ها بجهند! آدام توضیح می‌دهد در چنین صورتی امکان گم شدن فوتون‌ها وجود دارد؛ بنابراین وقتی دوباره پالس کنترل روشن می‌شود این فوتون‌ها بازیابی نمی‌شوند.

در هر حال، اگر سیگنال میکروویوی را بر این ابر اعمال کنیم، برهمکنشی بین پولاریتون‌های همسایه ایجاد می‌شود که از  جهش جلوگیری می‌کند و بنابراین فوتون‌ها از دست نمی‌روند و وقتی پالس کنترل دوباره روشن می‌شود، بازیابی می‌گردند.

گام بعدی، دروازه‌های منطقی

گروه باور دارد که این توانایی کنترل برهمکنش را میان پولاریتون‌های همسایه، می‌توان برای ساخت دروازه‌های منطقی برای تک فوتون به کار برد. به جای ساخت پولاریتون‌هایی در یک صف، می‌توان تقاطع Y–مانندی ایجاد کرد تا بتوان خروجی پولاریتون را با حضور/غیاب فوتون‌ها در دو پولاریتون دیگر تعیین کرد.

به نظر آدامز، این کار نیازمند چیدمان آزمایشگاهی جدید با دو پرتو لیزر کانونی و ابر اتمی بزرگتری است – چیزی که این گروه به دنبال ساخت آن است. الکس کوزمیک (Alex Kuzmich) در موسسه فناوری جورجیای آمریکا می‌گوید: توانایی گروه دارهام برای ایجاد برهمکنش قوی میان تک فوتون‌ها، کارشان را به «پیشرفتی مهم» بدل می‌کند. او می‌افزاید که این پژوهش «زمینه جدیدی پیش روی درک منطق کوانتومی برای فوتون‌ها می‌گشاید».

این آزمایش در شماره آینده فیزیکال ریویو لترز به چاپ خواهد رسید اما پیش‌چاپ آن در آرکایو قابل دسترسی است.

منبع: Stored photons interact in atom cloud