Ученые из университета ETH Zurich и Института изучения света Макса Планка (Max Planck Institute for the Science of Light) добились реализации передачи между двумя молекулами, выступавшими одновременно в роли передающих и принимающих антенн, единственных фотонов света. Способность передавать единичные фотоны света является идеальным решением для некоторых приложений в областях квантовых коммуникаций, квантовой криптографии или в квантовых компьютерах.

Индивидуальные частицы света, фотоны, являются средством передачи квантовой информации, кубитов. Это уже используется в квантовой криптографии, где единичные фотоны выступают в качестве носителей информации, которую невозможно перехватить или считать сторонним оборудованием без разрушения самой информации или сигнализации о несанкционированном доступе. Такие решения достаточно широко применяются в обмене данными между банками другими финансовыми учреждениями.

Единичный фотон так же «незаметен» для молекулы, как и для человеческого глаза. В более ранних экспериментах ученые-физики размещали атомы или молекулы между двумя крошечными зеркалами. Единичные фотоны отражались от этих зеркал бесчисленное количество раз, что позволяло увеличить во много раз вероятность того, что атом «заметит» фотон и поглотит его. Для того, что бы сделать все то же самое, но без использования зеркал, ученым пришлось использовать несколько оригинальных физических уловок.

Во-первых, исследователи разместили единственную молекулу красителя DBATT (dibenzanthanthrene) между слоями молекул других органических материалов. Затем два таких «пакета», содержащих молекулы красителя, были разнесены на расстояние несколько метров и соединены оптоволоконным кабелем.

Следующим шагом был точный выбор молекулы-передатчика, «сообщение» от которой могло быть принято на другом конце коммуникационного канала. «Это означает, что передающая молекула должна испустить фотон точно такого же цвета, который может быть поглощен только молекулой-получателем» – поясняет профессор Штефан Гецингер (Professor Stephan Gotzinger).

Температурные колебания молекул приемника и передатчика были сведены к минимуму с помощью понижения температуры до значения –272 градуса Цельсия, т.е. практически к абсолютному нолю.

Молекулу на одном конце превратили в передатчик, осветив ее светом лазера. В результате эта молекула начала вырабатывать цепочку из единичных фотонов, которые были сфокусированы с помощью линзы и введены в оптическое волокно.

Молекула-приемник на другом конце оказалась способна поглотить только три процента передаваемых фотонов, переизлучая дальше поглощенные фотоны с небольшой задержкой. И эта задержка, зависящая от параметров фотона, может выступать в качестве носителя передаваемой и принимаемой информации.

Пока ученым удалось реализовать подобие одностороннего коммуникационного радиоканала.

«Но в ближайшее время мы собираемся заставить фотон несколько раз пройти путь туда и назад между двумя молекулами» – объясняет профессор Гецингер. – «Такая связь прочно бы запутала на квантовом уровне эти две молекулы, что позволило бы использовать их для высокоскоростного обмена данными в квантовых компьютерах и зашифрованных каналах передачи данных».