I fotoni sono considerati vettori di informazioni ideali e si prevede che svolgano ruoli importanti nella comunicazione quantistica e nell'elaborazione delle informazioni, dove la meccanica quantistica consente una distribuzione di chiavi crittografiche assolutamente sicura e un calcolo molto più veloce rispetto ai computer convenzionali. Per sfruttare appieno le informazioni quantistiche trasportate dai fotoni, è importante farli interagire direttamente tra loro per l'elaborazione delle informazioni.

Però, i fotoni generalmente non interagiscono tra loro. Quindi è necessario mediare tali interazioni con la materia per realizzare un'efficace interazione fotone-fotone, ma l'interazione luce-materia è di solito estremamente debole nei media normali.

Haruka Tanji-Suzuki e colleghi dell'Institute for Laser Science, l'Università di Elettrocomunicazioni, Tokio, stanno attualmente lavorando per sviluppare dispositivi quantistici completamente ottici sensibili a un singolo ingresso di fotoni, come un singolo interruttore di fotone in cui un fotone in arrivo cambia lo stato di un altro fotone.

Per realizzare la forte interazione luce-materia necessaria per tali dispositivi, Tanji-Suzuki utilizza un insieme raffreddato al laser di atomi di 87 Rb (~ 10 uK) intrappolati all'interno di un risonatore ottico ad alta finezza (finezza ~ 50000) in una camera a vuoto ultraelevato. In particolare, per scambiare un fotone con un fotone in un tale sistema, i ricercatori utilizzano un effetto noto come "trasparenza indotta dal vuoto" osservato di recente da Tanji-Suzuki et al., in cui si mostra che un campo elettromagnetico debole come un campo del vuoto (luce senza fotoni) altera le proprietà ottiche degli atomi.

"La realizzazione di tali dispositivi completamente ottici a fotone singolo sarà un grande passo avanti verso la generazione deterministica di entanglement multimodale e porte quantistiche fotoniche ad alta fedeltà che sono cruciali per l'elaborazione dell'informazione quantistica completamente ottica, " dice Tanji-Suzuki.