Uudenlainen kvanttilomittuminen

Technionin (Israel Institute of Technology) tutkijoiden uraauurtava tutkimus paljastaa äskettäin löydetyn kvanttilomittumismuodon nanomittakaavan rakenteisiin rajoittuneiden fotonien kokonaiskulmaliikemäärässä.

Tällä löydöllä voi olla keskeinen rooli kvanttiviestinnän ja laskentakomponenttien tulevassa miniatyrisoinnissa

Kvanttilomittuminen on tähän mennessä osoitettu useille eri hiukkasille ja niiden erilaisille ominaisuuksille. Fotoneilla, valohiukkasilla, lomittuminen voi olla olemassa niiden kulkusuunnan, taajuuden (värin) tai suunnan, johon niiden sähkökenttä osoittaa mukaan.

Se voi olla olemassa myös ominaisuuksille, joita on vaikea kuvitella, kuten kulmaliikemäärä. Tämä ominaisuus on jaettu spiniin, joka liittyy fotonin sähkökentän pyörimiseen, ja kiertorataan, joka liittyy fotonin pyörimisliikkeeseen avaruudessa. Tämä on intuitiivisesti samanlainen kuin maapallo, joka pyörii akselinsa ympäri ja kiertää myös Aurinkoa ympyräradalla.

On helppo kuvitella nämä kaksi pyörimisominaisuutta erillisinä suureina ja todellakin fotoneina, jotka ovat sitoutuneet valonsäteeseen, joka on paljon leveämpi kuin niiden aallonpituus.

Kuitenkin, kun yritetään laittaa fotoneja fotonista aallonpituutta pienempiin rakenteisiin – mikä on nanofotoniikan alan pyrkimys – huomataan, että eri pyörimisominaisuuksia on mahdoton erottaa toisistaan, ja fotonille on ominaista yksi määrä, kokonaiskulmamomentti.

Joten miksi edes halutaan laittaa fotoneja niin pieniin rakenteisiin? On kaksi tärkeintä syytä. Yksi on miniatyrisointi samaan tapaan kuin elektronisten piirien miniatyrisointi.

Toinen syy on, että miniatyrisointi lisää fotonin ja sen materiaalin välistä vuorovaikutusta, jonka läpi fotoni kulkee (tai on lähellä), jolloin voi tuottaa ilmiöitä ja käyttötapoja, jotka eivät ole mahdollisia fotoneilla niiden "normaaleissa" mitoissa.

Nature-lehdessä julkaistussa tutkimuksessa Technion-tutkijat havaitsivat, että nanomittakaavan järjestelmissä on mahdollista lomittua fotoneihin, jotka ovat hiuksen tuhannesosan kokoisia, mutta lomittumista ei tee fotonin tavanomaiset ominaisuudet, kuten spin tai liikerata, vaan vain kokonaiskulmaliikemäärä.

Tämä on ensimmäinen löytö uudesta kvanttisidonnasta yli 20 vuoteen, ja se voi tulevaisuudessa johtaa uusien työkalujen kehittämiseen fotonipohjaisten kvanttiviestinnän ja laskentakomponenttien suunnitteluun sekä niiden merkittävään pienentämiseen.

Aiheesta aiemmin:

Monifotoninen lomittuminen metapinnan avulla

Lomittumista makrotasolla

Kvanttilomittuminen ja topologia ovat erottamattomia