Ученым из Германии, Дании и Австрии впервые удалось напрямую преобразовать лазерный свет в оптических волокнах в поток изолированных фотонов с помощью нового эффекта. О результатах эксперимента сообщает журнал Nature Photonics.

Если представлять лазерный свет как поток световых частиц, так называемых фотонов, то они полностью независимы друг от друга, и их точное время прибытия зависит от случая. В частности, на приемник могут одновременно попасть два фотона. Однако для многих ситуаций желательно, чтобы один фотон регистрировался вслед за другим, то есть чтобы частицы света выстраивались в линию, как нить жемчуга.

Такие изолированные фотоны, например, являются основным требованием для квантовой сети. До сих пор одиночные квантовые излучатели, такие как одиночный атом или единичная молекула, обычно действовали как источники таких потоков отдельных фотонов. Если квантовый излучатель возбуждается лазерным светом и флуоресценцией, он всегда будет излучать ровно один фотон при каждом квантовом скачке. Для этого типа источника все еще остается проблемой эффективная «подача» испускаемых фотонов в стекловолокно, чтобы отправить как можно больше из них на приемник.

Физикам из Германии, Дании и Австрии удалось создать своего рода «турникет» для света в стеклянных волокнах, который позволяет частицам света проходить только по одной за раз.

Предложение об эксперименте поступило от физиков-теоретиков доктора Саханда Махмудиана и профессора Клеменса Хаммерера из Ганноверского университета имени Лейбница и коллег из Копенгагенского университета. Эксперимент был проведен с помощью исследовательской группы профессора доктора Арно Раушенбойтеля в Берлинском университете имени Гумбольдта.

Для этой цели ученые использовали мощный интерфейс атом-свет, в котором атомы захвачены рядом с оптическим нановолокном и связаны со светом, направляемым в нановолокно.

Эти специальные стеклянные волокна в сто раз тоньше человеческого волоса, а атомы удерживаются на расстоянии 0,2 микрометра от поверхности стекловолокна. В то же время они охлаждаются лазерным светом до температуры в несколько миллионных долей градуса выше абсолютного нуля. Эта система позволила исследователям точно контролировать количество атомов вдоль лазерного луча. Затем в ходе эксперимента исследователи проанализировали, как часто фотоны выходят из волокна по отдельности или парами.

Когда около 150 атомов были захвачены около нановолокна, оказалось, что прошедший свет состоял практически только из изолированных фотонов. Таким образом, все вместе атомы действовали на фотоны, как турникет, регулирующий поток людей. Удивительно, но эффект был противоположным, когда количество атомов было увеличено: тогда атомы пропускали фотоны, предпочтительно парами.

Это открытие открывает совершенно новый способ создания ярких однофотонных источников со встроенным волокном. В то же время принцип работы, продемонстрированный исследователями, может быть применен к широкому диапазону электромагнитного спектра (от микроволн до рентгеновских лучей). Это открывает возможность генерации одиночных фотонов в спектральных диапазонах, для которых пока нет источников. Исследователи уже подали заявку на патент на эту технологию.