ottica quantistica, dove le interazioni tra luce e materia vengono esaminate a livello microscopico, ha vinto premi Nobel, tra cui tre assegnati dal 2001, per alcuni dei più grandi nomi della scienza. Però, anche in questo campo maturo, alcuni fisici interessanti rimangono in gran parte inesplorati. Un team internazionale di scienziati della Technische Universität Wien (Austria), Duke University, Università degli Studi di Palermo e Istituto Nanoscienze CNR (Italia), e il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha svelato un nuovo approccio per l'intrappolamento di fotoni in grado di localizzare e immagazzinare un fotone, fornendo un'altra opzione per svelare la fisica complicata e manipolare lo stato quantistico dei singoli fotoni. Il loro lavoro è stato recentemente pubblicato su Lettere di revisione fisica .

Yao-Lung (Leo) Zanna, un assistente scienziato computazionale con il Quantum Computing Group nella Computational Science Initiative di Brookhaven e coautore dell'articolo, ha spiegato che una particella che occupa uno stato legato stabile è confinata nello spazio, come un elettrone in orbita attorno a un atomo di idrogeno. Però, gli stati legati sono tipicamente disconnessi dallo spettro di energia continua, cioè fuori dal continuum, dal sistema. Ciò rende gli stati legati nel continuum (BIC) un fenomeno fisico interessante ma difficile da studiare. Infatti, Fang ha notato che il BIC è un argomento di ricerca attivo in molti campi scientifici e ingegneristici.

In alcune configurazioni di guide d'onda atomiche (un banco di prova in cui un canale ottico unidimensionale è fortemente accoppiato agli atomi) può esistere un BIC costituito da eccitazioni collettive di luce e materia. Armato di questa conoscenza, Fang e i suoi colleghi hanno determinato un nuovo approccio per eccitare il BIC, che in precedenza si pensava fosse possibile solo con l'emissione spontanea di fotoni. A differenza degli approcci convenzionali che richiedono il controllo della propagazione della luce in un mezzo, il loro metodo di eccitazione ha fornito un nuovo modo di intrappolare singoli fotoni senza rallentare la luce.

"Quando Francesco [Ciccarello, coautore dell'articolo] per primo ci ha proposto questa idea di eccitare il BIC, ero un po' scettico, " disse Fang. "Ma, dopo che ci siamo seduti e l'abbiamo analizzato a fondo, si scopre che aveva ragione. Funziona veramente!"

Il team ha considerato il BIC in due banchi di prova, compresa una guida d'onda aperta accoppiata a una coppia di atomi distanti. L'eccitazione del BIC ha richiesto anche due ingredienti importanti:un pacchetto d'onda multi-fotone e un sostanziale ritardo temporale (tempo di andata e ritorno per la propagazione dei fotoni tra due oggetti distanti). Fang e i suoi colleghi hanno scoperto che, progettando correttamente il ritardo temporale e i parametri delle onde, potrebbero inviare due fotoni e intrappolarne uno con una probabilità superiore all'80%. Con parametri migliorati, si aspettano che, in linea di principio, un intrappolamento perfetto è possibile. Il risultato fornisce un esempio alternativo per studiare la dinamica quantistica in un sistema non lineare. A sua volta, questo può informare vaste aree di ricerca che coinvolgono la fisica quantistica a molti corpi, dove i sistemi sono composti da numerose particelle che interagiscono meccanicamente quantistica.

"Dovevamo avere un ritardo di tempo finito per massimizzare la trappola, " ha detto Fang. "Il valore è che il metodo può avvantaggiare le memorie quantistiche, reti, e informatica. Per esempio, i computer quantistici devono memorizzare un fotone e recuperarlo quando necessario. Poiché i fotoni si muovono alla velocità della luce e non possono fermarsi, dobbiamo rallentarli in modo che possano essere immagazzinati. Ora, abbiamo un nuovo, meccanismo verificabile per immagazzinare un fotone."

Fang ha riconosciuto che il lavoro di diffusione dei fotoni del team differisce anche a causa della sua influenza da dinamiche non markoviane, che può essere difficile da affrontare a causa del modo in cui gli stati precedenti influenzano gli stati successivi in ​​un sistema.

"C'è un interesse generale per la fisica non markoviana, da sistemi completamente ottici, compresi microonde e laser, AMO [atomico, molecolare, e ottica] fisica all'optomeccanica, e una tipica firma è la deviazione dal puro decadimento esponenziale, " ha spiegato. "Ci sono grandi difficoltà tecniche nello studio degli effetti a molti corpi con ritardo temporale. In dinamiche non markoviane con effetti di ritardo, il nostro studio presenta un sistema modello con fisica simile che può essere risolto numericamente per consentire ai fisici di dedurre ed esaminare ciò che accade in questi sistemi".

In definitiva, Fang ha notato, esiste un alto potenziale per sfruttare il BIC, ad esempio per la creazione di un cancello entanglement a due qubit per computer quantistici o anche per immaginare comunicazioni a lunga distanza su reti quantistiche.

"Eccitando il BIC, un entanglement finito può essere creato tra due nodi distanti in una rete quantistica, " ha detto. "Ci sono molti modi in cui il metodo potrebbe fornire schemi di impatto per altri lavori e in aree scientifiche emergenti".