I fisici quantistici possono ora distillare una specie di grappa fotonica. Quando gli alcolici vengono distillati, la gradazione alcolica aumenta rispetto al contenuto di acqua. Un metodo simile sviluppato da un team del Max Planck Institute of Quantum Optics a Garching funziona sui quanti di luce:i fotoni. Estrae singoli fotoni da una sorgente luminosa, respinge la componente del vuoto indesiderata, e segnala questo evento. Questi singoli fotoni sono importanti bit quantistici per la tecnologia dell'informazione quantistica attualmente emergente.

Ricorda infatti il ​​principio alla base della distillazione dell'alcol, anche se il dispositivo ospitato in un laboratorio presso il Max Planck Institute of Quantum Optics sembra completamente diverso da quello usato per distillare la grappa. L'esperimento di Garching aumenta la proporzione dei singoli fotoni in relazione al vuoto. Questa motivazione può sembrare strana al grande pubblico. Però, conduce direttamente allo strano mondo della fisica quantistica. In definitiva, le sorgenti luminose deboli in grado di fornire esattamente un fotone svolgono un ruolo centrale nella tecnologia dell'informazione quantistica. Come un bit quantico, un fotone può trasportare le informazioni quantistiche elementari richieste per le reti quantistiche, crittografia quantistica, e computer quantistici, proprio come l'attuale tecnologia digitale elabora i singoli bit come vettori di informazioni.

La costruzione di sorgenti di singoli fotoni è una sfida che è stata studiata in tutto il mondo per molti anni. Sembra sorprendente perché basta un solo tocco di un interruttore della luce per illuminare una stanza. Però, la luce di una lampada corrisponde a una corrente di un numero enorme di fotoni. Se abbassi una sorgente di luce a tal punto che solo i singoli fotoni possono fuoriuscire da essa, ti trovi di fronte alla natura del lancio dei dadi del mondo quantistico; a volte non arriva niente, e poi arrivano due o tre fotoni e così via. È un po' come lo stillicidio di un alambicco. Non puoi prevedere con precisione quando arriverà il calo o quanto sarà grande.

Nessun vuoto può essere aggiunto a un fotone preparato in modo pulito

I fisici del dipartimento di Gerhard Rempes presso il Max Planck Institute of Quantum Optics non avevano intenzione di sviluppare un'altra sorgente di luce a singolo fotone. Anziché, il loro esperimento può estrarre singoli fotoni dalla luce di qualsiasi sorgente luminosa molto debole - come un fermo - e segnalare in modo affidabile questo evento. In senso stretto, riduce la frazione di vuoto puro rispetto al caso di ottenimento di un fotone. Questo è ciò che impari da Severin Daiß, dottorando presso l'Istituto e primo autore della pubblicazione. Una delle peculiarità del mondo quantistico è che il vuoto stesso rappresenta uno stato quantistico. Se vuoi preparare in modo pulito un fotone, non deve essere aggiunto vuoto.

Due sfide si incontrano nel nuovo lavoro di ricerca del team di Rempes. La prima sfida è ottenere esattamente un fotone. Il secondo è rilevarlo in modo affidabile. Un singolo atomo di rubidio risolve entrambi i compiti in un solo passaggio. Questo atomo è in una specie di armadietto a specchio. Più precisamente, è intrappolato tra due specchi quasi perfetti uno di fronte all'altro. La distanza degli specchi in questo "risuonatore" corrisponde precisamente a un multiplo di mezza lunghezza d'onda della luce in cui l'atomo potrebbe irradiare o assorbire il proprio fotone. In questo sistema, l'atomo può essere piegato avanti e indietro tra due posizioni di visualizzazione come un puntatore; questo gioca un ruolo importante qui.

Diversi fotoni in successione aumentano la purezza della luce

"Possiamo usare questo sistema dell'atomo nel risonatore come fermo per il fotone", dice Severin Daiß. Il gruppo di Garching dirige sulla cavità una luce laser estremamente debole, dalla quale vogliono ottenere un singolo fotone. Lì fa qualcosa che funziona solo nel mondo quantistico:si intreccia con la disposizione atomo-risonatore, formando così uno stato quantico comune. Questo stato entangled rende il sistema un alambicco:con una misurazione sull'atomo, i fisici possono estrarre un numero pari o dispari di fotoni dalla luce incidente.

Però, questo non funziona come un interruttore; la natura del lancio dei dadi del mondo quantistico impedisce a un fotone di passare attraverso la semplice pressione di un pulsante. "Ciò che è decisivo qui è che ora possiamo usare l'atomo come indicatore per segnalare una distillazione a singolo fotone riuscita", spiega Daiß. I fisici lasciano che la disposizione rotoli i fotoni ma ottengono il conteggio dei dadi visualizzato in modo affidabile.

In combinazione con la luce ultra-debole, la modalità "numero di fotoni dispari" ora può produrre eventi con un fotone perché raramente sono disponibili più fotoni. La distillazione è riuscita con una "purezza" del 66 per cento, il che significa che il contenuto di vuoto è stato ridotto a un terzo. Rispetto alle sorgenti luminose a singolo fotone, questo è un buon risultato per un primo tentativo. Questa purezza può essere notevolmente aumentata con migliori cavità ottiche. Gli elementi di distillazione del fotone possono essere collegati in serie per aumentare ulteriormente la purezza del fotone che lo attraversa. Anche la qualità della luce proveniente da altre sorgenti di singoli fotoni può essere migliorata. È come fare il 60% (o più) di vodka dal 40% di vodka.