Naukowcy z Wydziału Fizyki UW zbudowali wydajne źródło fotonów

Fotony o dokładnie ustalonych cechach są niezbędne w niemal wszystkich pracach eksperymentalnych z zakresu optyki kwantowej i jej licznych zastosowaniach. Dotychczas źródła fotonów stosowane w doświadczeniach z optyki kwantowej wykorzystywały spontaniczną przemianę częstości w kryształach nieliniowych i nie były zbyt wydajne. Nawet oświetlając kryształ wiązką laserową o mocy kilkudziesięciu miliwatów, stosunkowo dużą jak na potrzeby eksperymentów kwantowych, w każdej sekundzie udawało się wytworzyć zaledwie kilkanaście-kilkadziesiąt tysięcy odpowiednich fotonów.

Czytaj także: Mniej pieniędzy na leczenie w Mazowieckim. Chcą zmiany algorytmu podziału środków z NFZ

Mniej więcej od dekady fizycy próbowali generować pojedyncze fotony nie tylko w kryształach, ale także w falowodach nieliniowych, z użyciem zjawiska fluorescencji parametrycznej (polega ona na stopniowym wyświecaniu energii przez wcześniej wzbudzone atomy). W wyniku fluorescencji parametrycznej foton początkowy, z wiązki pompującej, dzieli się w falowodzie na dwa fotony o energii dwukrotnie mniejszej. Oznacza to, że jeśli foton pompujący był fotonem światła niebieskiego, o długości fali 400 nm, to wskutek fluorescencji parametrycznej powstaną dwa fotony światła czerwonego, o długości fali bliskiej 800 nm.

Własności obu tak powstałych fotonów są ze sobą skorelowane, np. jeśli jeden jest spolaryzowany w jednej płaszczyźnie, drugi będzie miał polaryzację prostopadłą. Dysponując taką parą fotonów, fizycy mogą skierować ją na kryształ rozdzielający fotony o różnych polaryzacjach. Jeśli teraz w jednym ramieniu układu pomiarowego zostanie zarejestrowany foton o pewnej polaryzacji, natychmiast wiadomo, że w drugim ramieniu był jego brat-bliźniak, spolaryzowany prostopadle. Wiedzę tę wykorzystuje się m.in. w eksperymentach ze splątaniem kwantowym.

W źródle skonstruowanym na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego wykorzystano komercyjnie dostępny falowód nieliniowy. W przeciwieństwie do tradycyjnych światłowodów mikrofalowych nie jest to elastyczne włókno, lecz kryształ o rozmiarach kilku milimetrów. Na jego powierzchni znajduje się ścieżka światłowodząca, w którą wprowadza się wiązkę pompującą.

- Kluczem do sukcesu było dokładne poznanie fizyki zjawisk dyspersyjnych zachodzących w naszym falowodzie nieliniowym - mówi dr hab. Konrad Banaszek, profesor UW. - Badamy podobne układy od kilku lat, a w 2009 roku byliśmy autorami pierwszej eksperymentalnej pracy z tego zakresu. Wiedzieliśmy więc dokładnie, jakie parametry powinna mieć wiązka wprowadzana do falowodu, jakie filtry widmowe powinniśmy postawić przed i za falowodem i co otrzymamy na wyjściu - podkreśla.

Liczba fotonów emitowanych przez nowe źródło jest około sto razy większa w stosunku do dotychczasowych typowych źródeł. Oznacza to, że wiązka pompująca, wprowadzana do falowodu, może mieć mniejszą moc i pochodzić nawet ze zwykłego lasera diodowego. Dodatkową korzyścią jest tu fakt, że skoro światło wiązki pompującej jest słabsze, będzie się mniej rozpraszało w układzie eksperymentalnym i słabiej zaburzy wyniki pomiarów.

Badania były finansowane z funduszy Unii Europejskiej w ramach programu TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej oraz z grantu promotorskiego Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Wyniki będzie można wykorzystać w pracach eksperymentalnych związanych z optyką kwantową oraz w jej zastosowaniach: szyfrowaniu kwantowym, pamięciach kwantowych czy w metrologii kwantowej, w której użycie kwantowych stanów światła pozwala prowadzić pomiary z wyjątkową precyzją.

Źródło: http://www.fuw.edu.pl/informacja-prasowa/items/zrodlo_fotonow.html

Codziennie najświeższe informacje z Warszawy na Twoją skrzynkę. Zapisz się do newslettera!