Znajdź zawartość

Naukowcy z University of Birmingham opublikowali na łamach Physical Review Letters artykuł, w którym niezwykle szczegółowo opisali naturę fotonów, ich interakcję z materią oraz sposób, w jaki są emitowane przez atomy i molekuły oraz kształtowane przez środowisko. W ten sposób mogli precyzyjnie opisać kształt pojedynczego fotonu. Zadanie to przekraczało dotychczas możliwości nauki, gdyż foton może propagować się w środowisku na niezliczoną liczbę sposobów, przez co trudno jest modelować interakcje, w jakie wchodzi. Nasze obliczenia pozwoliły nam na przełożenie pozornie nierozwiązywalnego problemu w coś, co można obliczyć. A produktem ubocznym naszego modelu jest możliwość stworzenia obrazu pojedynczego fotonu, czego dotychczas nikt nie dokonał, mówi doktor Benjamin Yuen z Wydziału Fizyki i Astronomii University of Birmingham. Współautorka badań, profesor Angela Demetriadou stwierdziła: geometria i właściwości optyczne środowiska mają olbrzymi wpływ na sposób emitowania fotonów, definiują ich kształt, barwę, a nawet to, z jakim prawdopodobieństwem istnieją. Praca brytyjskich uczonych pogłębia naszą wiedzę na temat wymiany energii pomiędzy światłem a materią, pozwala lepiej zrozumieć, w jaki sposób światło wpływa na bliższe i dalsze otoczenie. Pozwolą lepiej manipulować interakcjami światła z materią, a więc przyczynią się do udoskonalenia czujników, ogniw fotowoltaicznych czy komputerów kwantowych. « powrót do artykułu

Naukowcy z University of Washington zauważyli, że są w stanie wykryć „atomowy oddech” czyli wibracje mechaniczne pomiędzy dwiema warstwami atomów. Dokonali tego obserwując światło emitowane przez atomy wzbudzone laserem. Odkryte zjawisko można wykorzystać do zakodowania i przesłania informacji kwantowej. Uczeni zbudowali urządzenie, które może stać się elementem składowym przyszłych technologii kwantowych. To nowa platforma w skali atomowej, która wykorzystuje optomechanikę, szereg zjawisk w których ruch światła i ruch mechaniczny są ze sobą nierozerwalnie powiązane. Mamy tutaj efekty kwantowe, które możemy wykorzystać do kontrolowania pojedynczego fotonu przemieszczającego się przez zintegrowane obwody optyczne, mówi profesor Mo Li, który stał na czele grupy badawczej. Ostatnie badania bazowały na wcześniejszych pracach związanych z ekscytonami. To kwazicząstki w których można zakodować informację kwantową, a następnie przesłać ją w postaci fotonu, którego właściwości kwantowe (jak polaryzacja czy długość fali) pełnią rolę kubitu. A jako że kubit ten jest niesiony przez foton, informacja przemieszcza się z prędkością światła. Fotony są naturalnym wyborem jako nośnik informacji kwantowej, gdyż potrafimy przesyłać je za pomocą światłowodów szybko na duże odległości, nie tracą przy tym zbyt wielu informacji, dodaje doktorantka Adina Ripin. Naukowcy pracowali w ekscytonami chcąc stworzyć urządzenie emitujące pojedyncze fotony. Obecnie w tym celu używa się atomowych macierzy, takich jak np. znajdujące się w diamentach. Jednak w macierzach takich występują naturalne defekty, które zaburzają pracę tego typu urządzeń. Naukowcy z Uniwersity of Washington chcieli precyzyjnie kontrolować miejsce, z którego będzie dochodziło do emisji fotonu. Wykorzystali w tym celu nałożone na jednoatomowe warstwy diselenku wolframu. Dwie takie warstwy nałożyli na podłoże, na którym znajdowały się setki kolumienek o szerokości 200 nanometrów każda. Diselenek wolframu przykrył te kolumienki, a ich obecność pod spodem doprowadziła do pojawienia się niewielkich naprężeń w materiale. W wyniku naprężeń znajdujących się w miejscu każdej z kolumienek powstała kropka kwantowa. I to właśnie te kropki są miejscem, w którym dochodzi do emisji. Dzięki precyzyjnemu impulsowi laserowemu naukowcy byli w stanie wybić elektron, tworząc w ten sposób ekscytony. Każdy z ekscytonów składał się z ujemnie naładowanego elektronu z jednej warstwy diselenku wolframu i dodatnio naładowanej dziury z drugiej warstwy. Po chwili elektron wracał w miejsce, w którym przed chwilą się znajdował, a ekscyton emitował foton z zakodowaną informacją kwantową. Okazało się jednak, że poza fotonami i ekscytonami jest coś jeszcze. Powstawały fonony, kwazicząstki będące produktem wibracji atomowych. W ten sposób po raz pierwszy zaobserwowano fonony w emiterze pojedynczych fotonów w dwuwymiarowym systemie atomowym. Bliższe analizy wykazały, że każdy foton emitowany w ekscytonu był powiązany z jednym lub więcej fononami. Naukowcy postanowili więc wykorzystać to zjawisko. Okazało się, że za pomocą napięcia elektrycznego mogą wpływać na energię interakcji pomiędzy fotonami i fononami. Zmiany te są mierzalne i można je kontrolować. To fascynujące, że możemy tutaj obserwować nowy typ hybrydowej platformy kwantowej. Badając interakcję pomiędzy fononami a kwantowymi emiterami, odkryliśmy zupełnie nową rzeczywistość i nowe możliwości kontrolowania i manipulowania stanami kwantowymi. To może prowadzić do kolejnych odkryć w przyszłości, dodaje Ruoming Peng, jeden z autorów badań. W najbliższym czasie naukowcy chcą stworzyć falowody, za pomocą których będą przechwytywali wygenerowane fotony i kierowali je w wybrane miejsca. Mają tez zamiar skalować swój system, by jednocześnie kontrolować wiele emiterów oraz fonony. W ten sposób poszczególne emitery będą mogły wymieniać informacje, a to będzie stanowiło podstawę do zbudowania kwantowego obwodu. Naszym ostatecznym celem jest budowa zintegrowanego systemu kwantowych emiterów, które mogą wykorzystywać pojedyncze fotony przesyłane za pomocą przewodów optycznych oraz fonony i używać ich do kwantowych obliczeń, wyjaśnia Li. « powrót do artykułu

Po raz pierwszy udało się dwukrotnie wykryć poruszający się pojedynczy foton, nie niszcząc go przy tym. To ważna osiągnięcie, gdyż dotychczas foton ulegał zwykle zniszczeniu podczas jego rejestrowania. Najnowsze osiągnięcie może przyczynić się do powstania szybszych i bardziej odpornych na zakłócenia sieci optycznych i komputerów kwantowych. Zwykle wykrycie fotonu wiąże się z jego zaabsorbowaniem. Jednak foton może nieść ze sobą cenne informacje, a w takich przypadkach specjaliści woleliby mieć możliwość odczytania tych danych i przepuszczenia fotonu dalej, do miejsca docelowego. Żadna metoda detekcji nie jest w 100% skuteczna, zawsze istnieje ryzyko, że coś się prześliźnie niewykryte, mówi jeden z autorów badań, Stephan Welte, fizyk kwantowy z Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka w niemieckim Garching. Dlatego też możliwość niedestrukcyjnego wykrywania fotonów jest tak ważna – ustawienie detektorów jeden za drugim zwiększa szanse, że wykryjemy wszystkie interesujące nas fotony. Dotychczas opracowano różne sposoby wykrywania fotonu bez jego niszczenia. Często polegają one na interakcji fotonu z jonem, nadprzewodzącym kubitem lub innymi systemami kwantowymi. Jednak w ten sposób możemy albo wykonać pojedynczą niedestrukcyjną rejestrację poruszającego się fotonu, albo liczne niedestrukcyjne odczyty stacjonarnego fotonu uwięzionego we wnęce. Teraz naukowcy z Niemiec dwukrotnie wykryli pojedynczy foton wędrujący światłowodem. Wykorzystali w tym celu skonstruowany przez siebie niedestrukcyjny detektor zbudowany z pojedynczego atomu rubidu uwięzionego w odbijającej wnęce. Foton, wpadając do wnęki, odbija się od jej ścian, zmieniając stan kwantowy atomu, co można wykryć za pomocą lasera. Uczeni umieścili dwa takie detektory w odległości 60 metrów od siebie. Wykryły one ten sam foton, nie absorbując go. Welte mówi, że teoretycznie można w ten sposób wykryć pojedynczy foton nieskończoną liczbę razy, jednak w praktyce istnienie 33-procentowe ryzyko, że użycie detektora spowoduje utratę fotonu. Nowa technologia może w przyszłości pozwolić na śledzenie trasy fotonów. Pozwoli to na przyspieszenie pracy systemów kwantowych, gdyż będziemy w stanie upewniać się, że zakodowane w fotonach informacje dotrą tam, gdzie powinny. Powiedzmy, że chcesz wysłać kwantową informację z Monachium do Nowego Jorku. Możesz w międzyczasie wielokrotnie sprawdzać, czy foton nie został po drodze utracony, np. sprawdzając, czy dotarł do Paryża. Jeśli okaże się, że foton zgubił się po drodze, można będzie natychmiast wysłać go ponownie. Nie trzeba będzie czekać na zakończenie całej transmisji, by upewnić się, że wszystko poszło tak, jak powinno, wyjaśnia główny autor badań, Emanuele Distante. Twórcy nowych detektorów uważają, że nie można ich będzie wykorzystać do podsłuchania kwantowej komunikacji. To jak śledzenie przesyłek. Możesz dowiedzieć się, gdzie jest paczka, ale nic nie wiesz o jej zawartości. Foton zawiera w sobie pewną kwantową informację. Możesz w sposób niedestrukcyjny go wykryć, ale nie odczytać, stwierdza Welte. « powrót do artykułu

Szwajcarscy naukowcy przeprowadzili niezwykle interesujący eksperyment, z którego wynika, że błędne jest przekonanie, iż nic nie może poruszać się szybciej od prędkości światła. Nicolas Gisin i jego zespół z Uniwersytetu Genewskiego wysłał dwa splątane fotony oddzielnymi światłowodami do miejscowości, z których każda znajdowała się o 18 kilometrów od uniwersyteckiego kampusu. Badano przy tym, co działo się z fotonami w czasie ich podróży. Okazało się, że w momencie, gdy zmieniały się właściwości jednego z nich, identyczna zmiana zachodziła w drugim. Nie wykryto przy tym żadnego opóźnienia. Zmiany były identyczne i zachodziły w tym samym momencie. Cokolwiek je powodowało, informacja pomiędzy fotonami musiała być przekazywana z prędkością co najmniej 10 000 razy większą niż prędkość światła. Naukowcy wciąż nie wiedzą, ani w jaki sposób przekazywana jest informacja, ani z jaką prędkością się ona porusza. Przeprowadzony eksperyment jest jednak pierwszą próbą zmierzenia tej prędkości. Wiadomo, że jest ona olbrzymia. Wiadomo też, że stany splątane są faktem oraz że w jakiś sposób jedna z cząstek w parze natychmiast "wie", co dzieje się z drugą. Ciągle jednak brak wytłumaczenia tego fenomenu.

Grupa naukowców z Uniwersytetu w Oksfordzie donosi o udanym splątaniu bakterii z fotonami. W październikowym numerze Journal of Physics ukazał się artykuł zespołu pracującego pod kierunkiem Chiary Marletto, który przeanalizował eksperyment przeprowadzony w 2016 roku przez Davida Colesa i jego kolegów z University of Sheffield. Podczas wspomnianego eksperymentu Coles wraz z zespołem umieścili kilkaset chlorobakterii pomiędzy dwoma lustrami i stopniowo zmniejszali odległość pomiędzy nimi tak, aż dzieliło je zaledwie kilkaset nanometrów. Odbijając białe światło pomiędzy lustrami naukowcy chcieli spowodować, by fotosyntetyczne molekuły w bakteriach weszły w interakcje z dziurą, innymi słowy, bakterie miały ciągle absorbować, emitować i ponownie absorbować odbijające się fotony. Eksperyment okazał się sukcesem. Sześć bakterii zostało w ten sposób splątanych z dziurą. Jednak Marletto i jej zespół twierdzą, że podczas eksperymentu zaszło coś więcej, niż jedynie połączenie bakterii z dziurą. Przeprowadzone analizy wykazały, że sygnatura energetyczna pojawiająca się podczas eksperymentu jest właściwa dla splątania molekuł wewnątrz bakterii e światłem. Wydaje się, że niektóre fotony jednocześnie trafiały w molekuły i je omijały, a to właśnie dowód na splątanie. Nasze modele dowodzą, że zanotowano sygnaturę splątania pomiędzy światłem a bakterią, mówi pani Marletto. Po raz pierwszy udało się dokonać splątania kwantowego w żywym organizmie. Istnieje jednak wiele zastrzeżeń, mogących podważać wnioski grupy Marletto. Po pierwsze i najważniejsze, dowód na splątanie zależy od tego, w jaki sposób zinterpretujemy interakcję światła z bakterią. Marletto i jej grupa zauważają, że zjawisko to można opisać też na gruncie klasycznego modelu, bez potrzeby odwoływania się do efektów kwantowych. Jednak, jak zauważają, nie można tego opisać modelem „półklasycznym”, w którym do bakterii stosujemy zasady fizyki newtonowskiej, a do fotonu fizykę kwantową To zaś wskazuje, że mieliśmy do czynienia z efektami kwantowymi dotyczącymi zarówno bakterii jak i fotonu. To trochę dowód nie wprost, ale sądzę, że wynika to z faktu, iż oni próbowali bardzo rygorystycznie podejść do tematu i nie wysuwali twierdzeń na wyrost, mówi James Wootton z IBM Zurich Research Laboratory, który nie był zaangażowany w badania. Z kolei Simon Gröblacher z Uniwersytetu Technologicznego w Delft zwraca uwagę na kolejne zastrzeżenie. Otóż energię bakterii i fotonu zmierzono wspólnie, nie osobno. To pewne ograniczenie, ale wydaje się, że miały tam miejsce zjawiska kwantowe. Zwykle jednak gdy chcemy dowieść splątania, musimy osobno zbadać oba systemy. Wiele zespołów naukowych próbuje dokonać splątania z udziałem organizmów żywych. Sam Gröblacher zaprojektował eksperyment, w którym chce umieścić niesporczaki w superpozycji. Chodzi o to, by zrozumieć nature rzeczy i sprawdzić czy efekty kwantowe są wykorzystywane przez życie. W końcu u swoich podstaw wszystko jest kwantem, wyjaśnia współpracownik Marletto, Tristan Farrow. « powrót do artykułu

Doktor Young Bae z Bae Institute zaprezentował urządzenie, które jeszcze niedawno istniało jedynie na kartach powieści science fiction. Mowa tutaj o Laserowym Napędzie Fotonowym (PLT - Photonic Laser Thruster), czyli ni mniej, ni więcej urządzeniu, które będzie napędzało statki kosmiczne dzięki strumieniowi fotonów. W prezentacji brał udział doktor Franklin Mead, jeden z czołowych badaczy nad zaawasowanymi systemami napędowymi, zatrudniony w Laboratorium Badawczym Lotnictwa Wojskowego (AFRL). To niewiarygodne urządenie. Z tego co wiem, nikomu wcześniej nie udało się go skonstruować. Spotkało się ono z ogromnym zainteresowaniem – powiedział Mead. Pisarze od dawna wykorzystywali na łamach swych powieści „napęd fotonowy”. Naukowcy jednak wątpili, czy fotony uda się kiedykolwiek wykorzystać do tego celu. Nie mają one bowiem masy spoczynkowej i ładunku elektrycznego. Nie mogłyby więc „pchnąć” statku kosmicznego, gdyż nie można ich zgromadzić i wystrzelić. System PLT przezwycięża ten problem, wielokrotnie odbijając strumień fotonów pomiędzy dwoma lustrami. W ten sposób można dodawać kolejne fotony do już wystrzelonych. Doktor Bae wykorzystał laser i skomplikowany system, który służył do wzmocnienia strumienia fotonów. Udowodnił, że energia fotonów mogłaby napędzać statki kosmiczne odbijając tysiące razy fotony pomiędzy nimi. System doktora Bae jest w stanie wzmocnić strumień aż 3000 razy. Niewielki laser ma dzięki temu moc porównywalną z potężnymi i dużo większymi systemami laserowymi. PLT może znaleźć zastosowanie na wielu polach. Najbardziej oczywistym jest napęd dla statków kosmicznych. Naukowcy oceniają, że pojazd wyposażony w nowy napęd, dotarłby na Marsa w ciągu tygodnia. Być może w przyszłości udałoby się przyspieszyć go nawet do prędkości bliskiej prędkości światła. Teraz jednak doktor Bae ma bardziej realny cel na myśli. Chce połączyć technologię PLT z Photon Tether Formation Flight (PTFF). PLT ma o 100 000 razy zwiększyć precyzję lotów kosmicznych w formacjach. Dzięki temu pozycję poszczególnych pojazdów formacji można by kontrolować z dokładnością do nanometra. To z kolei pozwoli na zbudowanie lepszych urządzeń służących do badania kosmosu. System PLT został po raz pierwszy pokazany w grudniu ubiegłego roku. Od tamtej pory kolejne demonstracje dowiodły, że rzeczywiście działa. Badaniami Bae Institute zainteresowały się NASA i AFRL.

Badacze z amerykańskiego Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) poinformowali o stworzeniu pierwszego ogniwa słonecznego, którego zewnętrzna wydajność kwantowa wynosi ponad 100%. Dla fotoprądu wartość zewnętrznej wydajności kwantowej - podawaną w procentach - wylicza się na podstawie liczby elektronów przepływających przez obwód w ciągu sekundy podzielonej przez liczbę fotonów z określonej długości fali, wpadających w ciągu sekundy do ogniwa słonecznego. Dotychczas nie istniały ogniwa, których wydajność w jakimkolwiek zakresie fali przekraczałaby 100%. Uczonym z NREL udało się osiągnąć szczytową wydajność kwantową rzędu 114%. W przyszłości może to pozwolić na zbudowanie ogniw słonecznych, z których energia będzie równie tania, lub tańsza, od energii uzyskiwanej z paliw kopalnych czy energii jądrowej. Mechanizm uzyskania wydajności większej niż 100% bazuje na procesie zwanym Multiple Exciton Generation (MEG), podczas którego pojedynczy foton o odpowiednio wysokiej energii tworzy więcej niż jedną parę elektron-dziura. W roku 2001 pracujący w NREL Arthur J. Nozik przewidział, że MEG będzie lepiej działało w półprzewodnikowych kropkach kwantowych niż w zwykłych półprzewodnikach. Pięć lat później w pracy opublikowanej wraz z Markiem Hanną Nozik stwierdził, że kropki kwantowe użyte w ogniwach słonecznych mogą zwiększyć ich wydajność o około 35% w porównaniu z innymi nowoczesnymi rozwiązaniami. Ogniwa bazujące na kropkach kwantowych nazywane się ogniwami trzeciej (lub kolejnej) generacji. Obecnie buduje się ogniwa pierwszej i drugiej generacji. Zjawisko MEG, zwane też Carrier Multiplication (CM), zostało po raz pierwszy zaprezentowane w Los Alamos National Laboratory w 2004 roku. Od tamtej chwili wiele innych ośrodków badawczych potwierdziło jego występowanie w różnych półprzewodnikach. Teraz NREL zaprezentował MEG o wartości większej niż 100%. Badań dokonano przy niskiej intensywności symulowanego światła słonecznego, a mimo to eksperymentalne ogniwo słoneczne osiągnęło wydajność konwersji energii rzędu 4,5%. To bardzo dobry wynik, biorąc pod uwagę fakt, że ogniowo nie było optymalizowane pod kątem wydajności.

Na University of Bristol powstał fotoniczny układ scalony, który pozwala na tworzenie i manipulowanie stanem splątanym i stanem mieszanym. Stan splatany, zachodzący pomiędzy dwoma niepołączonymi ze sobą cząsteczkami, umożliwi komputerowi kwantowemu wykonywanie obliczeń. Uczeni z Bristolu jako pierwsi pokazali, że stan splątany można uzyskać, manipulować nim i mierzyć na kawałku krzemu. Aby zbudować kwantowy komputer musimy nie tylko umieć kontrolować złożone zjawiska takie jak splątanie czy stan mieszany, ale musimy być w stanie dokonać tego w układzie scalonym - mówi profesor Jeremy O'Brien, dyrektor Centre for Quantum Photonics. Nasze urządzenie to umożliwia i wierzymy, że stanowi ono ważny krok na drodze do stworzenia optycznego komputera kwantowego - dodaje. Układ zbudowany jest z sieci kanałów, w których dokonywane są odpowiednie manipulacje fotonami. Do kości dołączonych jest osiem elektrod, których konfigurację można na bieżąco zmieniać. Dzięki tym elektrodom pary fotonów są splątywane we wszelkie możliwe sposoby i dokonywane są na nich operacje. Podobnie manipuluje się stanem mieszanym pojedynczego fotonu. Chip z Bristolu jest mniej więcej dziesięciokrotnie bardziej złożony, niż wcześniej budowane układy do manipulacji stanami kwantowymi.

Polarytony, kwazicząsteczki powstałe wskutek silnego sprzężenia fotonów i ekscytonów, wykazują jeszcze silniejsze sprzężenie, gdy trafiają do półprzewodnikowych struktur o wielkościach liczonych w nanometrach. To ważne odkrycie na polu fotoniki, dzięki której mogą powstać szybsze i mniejsze układy scalone, wykorzystujące do obliczeń i przesyłania danych światło w miejsce elektronów. Ekscyton to połączenie elektronu, który ma ładunek ujemny, z dziurą o ładunku dodatnim. Światło oscyluje w polu elektromagnetycznym, zatem może łączyć się z ekscytonami. Gdy ich częstotliwości są zgodne, ich oscylacje wzmacniają się - wyjaśnia profesor Ritesh Agarwal z University of Pennsylvania. Silne sprzężenie światła z materią to jedno z podstawowych zjawisk, na których opiera się fotonika. Dotychczas jednak przypuszczano, że siła ta zależy od półprzewodnika, w których znajdują się polarytony i jest w nim niezmienna. Tymczasem zespól Agarwala wykazał, że dzięki odpowiedniemu procesowi produkcyjnemu półprzewodnika można zmieniać siłę sprzężenia. Do wielkości mniej więcej mikrometra siła sprzężeń w półprzewodniku jest stała. Jeśli jednak zejdzie się poniżej 500 nanometrów to, jak wykazaliśmy, siła ta dramatycznie rośnie - mówi Agarwal. Już wcześniej próbowano tworzyć w półprzewodnikach tak małe polarytonowe wnęki, jednak chemiczne wytrawianie używane przy produkcji tego typu struktur niszczyło powierzchnię półprzewodników, a powstałe w ten sposób niedoskonałości więziły ekscytony czyniąc je bezużytecznymi. Nasze nanokable z siarczku kadmu samodzielnie układają się w pożądane struktury, nie stosujemy chemicznego wytrawiania. Mimo to jakość powierzchni jest wciąż czynnikiem decydującym, dlatego też opracowaliśmy nową technikę pasywacji powierzchni. Hodujemy na powierzchni nanokabli powłokę z tlenku krzemu, co znacznie poprawia ich właściwości optyczne - wyjaśnia uczony. Taka powłoka wypełnia niedoskonałości na powierzchni nanokabli, zapobiegając uwięźnięciu w nich ekscytonów. Uczeni opracowali też narzędzia i techniki służące do pomiaru siły sprzężenia światła z materią. Im silniejsze jest to sprzężenie, tym lepiej działają fotoniczne przełączniki. Tranzystory elektryczne działają dzięki temu, że elektrony wchodzą ze sobą w interakcje. Fotony tego nie robią. Aby takie przełączniki działały konieczne jest połączenie właściwości fotonów z materiałem, w którym się znajdują - dodaje Agarawal.

Teoria de Broglie-Bohma, czyli alternatywne podejście do zagadnień mechaniki kwantowej, została właśnie wsparta ciekawym eksperymentem, którego wyniki mogą mieć znaczne implikacje w wielu zastosowaniach - od symulowania złożonych molekuł po tunelowanie kwantowe. Z tradycyjnego punktu widzenia fotony są jednocześnie falą i cząsteczką. Te ostatnie objawiają się jako gęstość prawdopodobieństwa, a z zasady nieoznaczoności Heisenberga wiemy, że nie można jednocześnie zmierzyć położenia cząsteczki i jej prędkości. Teraz uczeni z USA, Australii, Kanady i Francji poinformowali, że znaleźli sposób jak zmierzyć to, co dotychczas wydawało się niemożliwe. Udało im się mianowicie zebrać kompletną informację o prędkości i pozycji fotonów. Zasada nieoznaczoności Heisenberga wciąż obowiązuje, jednak nie jest już tak restrykcyjna jak poprzednio. Uczeni użyli mocno chłodzonej kwantowej kropki z arsenku indowo-galowego do uwalniania pojedynczych fotonów. Potwierdzono, co wykazano już w 1909 roku, że pomiędzy wysyłanymi w ten sposób pojedynczymi fotonami wciąż zachodzi interferencja i na fotodetektorze otrzymujemy taki obraz, jakbyśmy mieli do czynienia z całą falą cząstek. Oczywiście próba prostego zmierzenia drogi każdego fotonu pomiędzy kropką a fotodetektorem skazana byłaby na niepowodzenie z powodu zasady nieoznaczoności Heisenberga. Aby dokładnie zbadać drogę fotonów bez niszczenia całego systemu Sacha Kocsis, Boris Braverman z University of Toronto oraz Sylvain Ravets z Université Paris-Sud Campus Polytechnique postawili na ich drodze cienki kryształ zawierający kalcyt. Ma on tę szczególną właściwość, że potrafi odwrócić polaryzację fotonu w zależności od tego, z którego kierunku foton się pojawił. Tymczasem soczewki fotodetektora zostały ustawione tak, by ich ogniskowa skupiała się na różnych miejscach w przestrzeni. Dzięki temu uczeni wiedzieli, jak daleko znajduje się foton, zatem mogli poznać jego pozycję, a polaryzacja fotonu dostarczała im informacje o oryginalnym kierunku, w którym wędrował, co w przybliżeniu pozwoliło poznać prędkość. Jeśli taki eksperyment powtórzymy tysiące razy, badając wszelkie możliwe punkty w przestrzeni pomiędzy kropką kwantową a fotodetektorem, oraz wszelkie możliwe polaryzacje fotonu w każdym z tych punktów, to odpowiednia analiza statystyczna pozwoli na poznanie dokładniej drogi, którą poruszał się foton. Znajomość trajektorii cząsteczek to jedno z głównych założeń teorii de Broglie-Bohma. Generalnie, jak zauważa profesor Aephraim Steinberg z University of Toronto teoria de Broglie-Bohma daje te same wyniki co mechanika kwantowa. Z kolei profesor Howard Wiseman z australijskiego Griffith University dodaje, że alternatywne rozumienie zachodzących zjawisk jest ważne, gdyż bohmiańska interpretacja ma również znaczenie praktyczne. Daje nam bowiem narzędzia do opracowania sposobów badań dynamiki molekularnej, które jest bardzo trudno przeprowadzić bez pewnych przybliżeń. Dla profesora matematyki Sheldona Goldsteina z Rutgers University najważniejszym aspektem tego eksperymentu jest przybliżenie teorii de Broglie-Bohma do naukowego mainstreamu, gdzie nie cieszy się ona zbytnim poważaniem. Teoria ta nie stoi w sprzeczności z żadnymi eksperymentalnie potwierdzonymi faktami. Stoi natomiast w sprzeczności z pewnymi przewidywaniami - mówi Goldstein. A Wiseman dodaje: Teoria ta twierdzi, że takie trajektorie istnieją. Dla niektórych naukowców eksperyment ten będzie zatem jedynie miłym potwierdzeniem teorii, której nie odrzucają. Dla wielu jednak jego wyniki będą szokujące.

Najnowsze eksperymenty przeprowadzone przez Grupę Fotoniki Kwantowej w DTU Fotonik oraz Instytut Nielsa Bohra z Uniwersytetu Kopenhaskiego dowodzą, że kwantowe kropki... nie są kropkami. Odkrycie to ma kolosalne znacznie, gdyż otwiera drogę dla nowych zastosowań kropek. Kwantowa kropka to specyficzne źródło światła, które emituje pojedyncze fotony. Składa się ona z tysięcy atomów. Dotychczas sądzono, że rzeczywiście jest to kopka, czyli punktowe źródło światła. Uczeni doszli jednak do wniosku, że kropka nie jest kropką. Podczas przeprowadzonego eksperymentu naukowcy rejestrowali emisję fotonów z kwantowych kropek umieszczonych blisko metalicznego lustra. Punktowe źródło światła ma takie same właściwości niezależnie od swojego ułożenia - standardowego czy odwróconego do góry nogami. Uczeni zaobserwowali jednak, że po odwróceniu kropki symetria zostaje zaburzona, a zatem właściwości emisji są zależne od ułożenia. To wskazuje, że kropki nie są kropkami. Mogą zatem być bardziej użyteczne niż dotychczas sądzono. Na powierzchniach metalicznych luster pojawiają się plazmony, a plazmonika to bardzo obiecująca dziedzina nauki, która może znaleźć zastosowanie w informatyce kwantowej czy pozyskiwaniu energii słonecznej. Fakt, że właściwości światła emitowanego z kwantowych kropek mogą być znacząco zmieniane oznacza, że światło takie może z jeszcze większym prawdopodobieństwem niż przypuszczano prowadzić do wzbudzania plazmonów. Kwantowe kropki mogą zatem współpracować z nimi bardziej efektywnie, a zatem mogą być wydajnym źródłem światła w urządzeniach nanofotoniczych. Najnowsze odkrycie znajdzie też zastosowanie w innych niż plazmonika dziedzinach wiedzy, takich jak elektrodynamika kwantowa czy badania nad fotonicznymi kryształami.

Na Uniwersytecie w Bonn powstał kondensat Bosego-Einsteina stworzony z fotonów. Dotychczas sądzono, że fotony nie nadają się do jego tworzenia. Osiągnięcie niemieckich naukowców pozwoli na pojawienie się nowych źródeł światła, opracowania laserów pracujących z promieniami X czy zbudowania bardziej wydajnych układów scalonych. Kondensat Bosego-Einsteina to nowy stan skupienia materii. Został on przewidziany przez Sayendrę Natha Bosego i Alberta Einsteina w latach 20. ubiegłego wieku, a otrzymano go dopiero w roku 1995. Z kondensatem mamy do czynienia wówczas, gdy po przekroczeniu temperatury krytycznej znaczna część cząstek zaczyna zachowywać się identycznie, przypominając jedną cząstkę. Dotychczas kondensatu nie udało się uzyskać z fotonów, gdyż znikają one podczas schładzania. Uczeni z Bonn zastosowali dwa lustra, pomiędzy którymi odbijali promień światła. Między lustrami znajdował się roztwór z pigmentem. Fotony uderzały w molekuły pigmentu i były przezeń wchłaniane, a następnie ponownie uwalnianie. Podczas tego procesu fotony przyjmowały temperaturę płynu. Schłodziły się do temperatury pokojowej i nie były tracone - wyjaśnia profesor Martin Weitz. Następnie za pomocą lasera, którym wzbudzono cząstki pigmentu, zwiększono liczbę fotonów pomiędzy lustrami. To tak bardzo zwiększyło koncentrację schłodzonych fotonów, że zaczęły się one zachowywać jak jeden superfoton. Uzyskano w ten sposób fotonowy kondensat Bosego-Einsteina. Okazał się on nowym źródłem światła o właściwościach podobnych do lasera. Jednak w porównaniu z laserami ma on pewną olbrzymią zaletę. Obecnie nie jesteśmy w stanie zbudować laserów pracujących z bardzo krótkimi falami, np. w zakresie ultrafioletu czy fal X. Powinno być to możliwe dzięki zastosowaniu fotonowego kondensatu Bosego-Einsteina - mówi Jan Klars. Jeśli takie lasery powstaną, z pewnością trafią do fabryk mikroprocesorów, gdzie lasery wykorzystywane są do tworzenia obwodów logicznych. Laser pracujący ze światłem o krótszej długości fali pozwala na większą precyzję, umożliwia tworzenie mniejszych elementów, a co za tym idzie - bardziej wydajnych układów.

Uczonym z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) udało się, jako pierwszym w historii, zaprezentować metodę konwersji pojedynczego fotonu wyemitowanego z kwantowej kropki w paśmie 1300 nm (bliska podczerwień) w foton charakterystyczny dla emisji fali o długości 710 nm (światło bliskie widzialnemu). Możliwość zmiany koloru pojedynczego fotonu może być ważnym krokiem na drodze do stworzenia hybrydowych kwantowych systemów obliczeniowych i komunikacyjnych. W przetwarzaniu kwantowej informacji bardzo ważna jest możliwość jej transportu w formie zakodowanej w fotonie oraz przechowywania. Specjaliści dążą do tego, by pojedyncze urządzenie było w stanie przechowywać i kodować kwantową informację. Problem jednak w tym, że dostępne obecnie systemy pamięci kwantowych są w stanie przechowywać fotony ze światła bliskiego światłu widzialnemu, a tymczasem najlepsze wyniki daje transport fotonów z podczerwieni, gdyż takie fale doświadczają najmniejszych strat w światłowodach. To pokazuje, jak ważny jest wynalazek NIST. Pozwala on bowiem na skonstruowanie pojedynczego urządzenia, które będzie pracowało z różnymi fotonami. Specjaliści z NIST dokonali tego łącząc źródło fotonu z wykrywaczem zdolnym do zmiany częstotliwości z niższej (długa fala) na wyższą (krótka fala). Ważnym osiągnięciem jest wykorzystanie tutaj kropki kwantowej, gdyż pozwala ona na emisję pojedynczego fotonu o określonej długości fali (kolorze). Wcześniej naukowcy nie potrafili uzyskać aż tak dużej kontroli nad fotonami. Dodatkową zaletą tej technologii jest konwersja fotonu z podczerwieni do światła niemal widzialnego. Pozwala to bowiem aż 25-krotnie zwiększyć wykrywalność fotonów, gdyż obecnie dostępne detektory dla światła bliskiego widzialnemu są znacznie doskonalsze niż te dla podczerwieni.

Naukowcy z Centrum Fotoniki Kwantowej na University of Bristol wierzą, że dzięki ich ostatnim pracom kwantowe komputery mogą pojawić się w ciągu najbliższych 10 lat, a nie, jak dotychczas przypuszczano, nie wcześniej niż za 20-25 lat. Uczeni z japońskiego Tohoku University, izraelskiego Instytutu Weizmanna oraz holenderskiego Uniwersytetu Twente, pracujący pod kierunkiem naukowców z Bristolu, udoskonalili tzw. kwantowe błądzenie losowe. Opracowana w Bristolu technika wykorzystuje dwa fotony, poruszające się po obwodach krzemowego układu scalonego. Dotychczas przeprowadzono wiele eksperymentów z kwantowym błądzeniem losowym, a cały proces może być dokładnie modelowany przez współczesną fizykę. Jednak wszystkie eksperymenty wykorzystywały jeden foton. Po raz pierwszy udało się do kwantowego błądzenia losowego zaprząc dwa fotony. Dzięki wykorzystaniu dwóch fotonów możemy prowadzić obliczenia, które są wykładniczo bardziej skomplikowane, niż wcześniej dokonywane kalkulacje. To początek nowej dziedziny badań nad kwantową informatyką. To przetarcie drogi ku powstaniu kwantowych komputerów, które umożliwią nam zrozumienie najbardziej skomplikowanych problemów naukowych - mówi profesor Jeremy O'Brien, dyrektor Centrum Fotoniki Kwantowej. Naukowcy już rozpoczęli prace nad laboratoryjnymi narzędziami badawczymi, wykorzystującymi losowe błądzenie dwóch fotonów. Zwiększenie liczby fotonów z jednego do dwóch było zadaniem bardzo trudnym, gdyż muszą one być identyczne pod każdym względem. Uczeni wierzą jednak, że teraz dodawanie kolejnych fotonów będzie łatwiejsze. Za każdym razem gdy dodamy foton, wykładniczo wzrośnie stopień skomplikowania problemów, które będziemy mogli rozwiązać. Z jednego fotonu mamy 10 wyników, system dwufotonowy daje 100 odpowiedzi, a taki, który składa się z trzech fotonów - 1000 - dodaje O'Brien.

Japońska Agencja Kosmiczna (JAXA) informuje, że żagiel napędzający pojazd kosmiczny IKAROS sprawuje się wyjątkowo dobrze. IKAROS został wystrzelony 21 maja. Wyposażono go w żagiel, który wykorzystuje ciśnienie wytwarzane przez uderzające weń fotony. IKAROS ciągle przyspiesza. Japońscy naukowcy wyliczyli, że napęd pracuje tak, jak zakładano. Uderzenie pojedynczego fotonu oznacza przyłożenie siły rzędu 1,12 mN. To odpowiednik 0,114 grama na Ziemi. Koncepcja kosmicznego żagla okazuje się zatem sukcesem. Niewykluczone zatem, że przez najbliższe lata, do czasu opracowania lepszej technologii, żagle będą coraz częściej wykorzystywane przy wysyłaniu pojazdów głęboko w przestrzeń kosmiczną.

Uzyskanie fotonowych "trojaczków" to duży przełom na polu optyki kwantowej, który wpłynie też na prace nad komputerami kwantowymi. W przeszłości uzyskanie par fotonów zrewolucjonizowało optykę kwantową i umożliwiło postanie kwantowej kryptografii oraz dało nadzieję na zaprzęgnięcie fotonów do obliczeń. Teraz Thomas Jennewein, Hannes Hubel, Deny Hamel, Kevin Resch z kanadyjskiego University of Waterloo, Alessandro Fedrizzi z University of Queensland w Australii oraz Sven Ramelow z Austriackiej Akademii Nauk uzyskali trzy powiązane ze sobą fotony. Pary fotonów otrzymuje się po przepuszczeniu silnego światła laserowego przez kryształ. Foton padający na kryształ zostaje przekształcony w splecioną parę fotonów. Obecnie naukowcy dodali kolejny etap, przepuszczając jeden z fotonów przez kolejny kryształ, uzyskując dodatkowy foton. W ten sposób powstały trzy fotony, które były ze sobą splątane, gdyż początek im dał ten sam foton. Najnowsze osiągnięcie naukowe umożliwi przeprowadzenie zupełnie nowych eksperymentów i pozwoli zbadać niedostępne dotychczas zjawiska kwantowe.

Naukowcy z California Institute of Technology (Caltech) niedawno opracowali nowe techniki obrazowania, które teraz pozwoliły im na wykonanie zdjęć pól elektrycznych tworzących się wskutek interakcji elektronów i fotonów. Mogli też śledzić zmiany zachodzące w strukturach w skali atomowej. Czterowymiarowa mikroskopia (4D) wykorzystuje pojedynczy elektron, który do tradycyjnej mikroskopii elektronowej wprowadza wymiar czasu, dzięki czemu możliwe jest śledzenie zmian w skali atomowej. Podczas testów naukowcy byli w stanie skupiać strumień elektronów na wybranym przez siebie obszarze obserwowanego obiektu. W tradycyjnej mikroskopii strumień elektronów uderza w obiekt, elektrony odbijają się od atomów obiektu, trafiają do detektora, dzięki któremu uzyskujemy obraz. Jeśli jednak atomy obiektu się poruszają, obraz jest zamazany, przez co części detali nie można dostrzec. Uczeni z Caltechu wykorzystali impulsy elektronów w miejsce stałego ich strumienia. Najpierw testowa próbka, w tym wypadku był to kawałek krystalicznego krzemu, jest podgrzewana za pomocą krótkiego impulsu lasera. Następnie trafia w nią femtosekundowy impuls elektronów. Dzięki temu, że trwa on niewiarygodnie krótko, atomy w próbce nie zdążą przemieścić się na zbyt dużą odległość, dzięki czemu uzyskujemy ostry obraz. Odpowiednio dobierając czas pomiędzy kolejnymi podgrzaniami próbki a bombardowaniem jej elektronami, naukowcy mogą wykonać całą serię "fotografii", którą następnie składają w "film". Technikę tą opracował wybitny naukowiec Ahmed Zewail, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii. Brał on też udział, wraz z Brettem Barwickiem i Davidem Flanniganem, w stworzeniu techniki nazwanej indukowaną przez fotony mikroskopią elektronową bliskiego pola (PINEM). Korzysta ona z faktu, że w nanostrukturach fotony generują zanikające pole elektryczne, które może być źródłem energii dla elektronów. Uczeni wykorzystali ten fakt do oświetlania niektórych materiałów impulsem lasera, co powodowało, że materiały te zaczynały "świecić". Rozbłysk trwał bardo krótko, od dziesiątek do setek femtosekund, wystarczająco jednak długo, by udało się go zarejestrować. Podczas swoich eksperymentów uczeni oświetlali impulsami lasera węglowe nanorurki i srebrne nanokable. Natychmiast po impulsie laserowym w kierunku próbek wysyłano elektrony, które "żywiły" się energią generowanych przez fotony pól elektrycznych. Ilość energii pobieranej przez elektrony była proporcjonalna do długości fali światła laserowego. Technika ta pozwala na obrazowanie zanikających pól elektrycznych dzięki badaniom zmian w poziomie energii poszczególnych elektronów. Jak zauważyli twórcy nowej techniki, otwiera ona nowe możliwości przed specjalistami zajmującymi się plazmoniką, fotoniką i dyscyplinami pokrewnymi. To, co jest najbardziej interesujące z punktu widzenia fizyki to fakt, że możemy obrazować fotony za pomocą elektronów. W przeszłości, z powodu trudności w odróżnieniu energii i momentu elektronów i fotonów, nie sądziliśmy, że uda się uzyskać technikę podobną do PINEM czy że uda się zwizualizować to w czasie i przestrzeni - stwierdził Zewail.

W najnowszym numerze Nature Physics ukazał się artykuł, którego autorzy opisują, w jaki sposób wykorzystać laser do przyspieszenia 100 000 razy operacji odczytu i zapisu na dyskach twardych. Zespół z francuskiego Instytutu Chemii i Fizyki Materiałów pod przewodnictwem Jeana-Yvesa Bigota użył femtosekundowego lasera. Obecnie korzystamy z zapisu magnetycznego i mówimy o spintronice, czyli elektronice spinu. Nasza metoda to fotonika spinu, gdyż używamy fotonów do zmiany i odczytu spinu elektronów - wyjaśnia Bigot. Odczyt i zapis danych na współczesnych dyskach twardych odbywa się za pomocą pola magnetycznego i zmiany w spinie elektronów. Metoda ta jest jednak dość powolna. Francuzi udowodnili, że femtosekundowy laser pozwala na zmianę spinu elektronów, a tym samym, na znaczne przyspieszenie całej operacji. Niestety, w najbliższej przyszłość nie powinniśmy się spodziewać, że kupimy bardzo szybko działające dyski twarde. Femtosekundowe lasery to obecnie bardzo duże urządzenia o wymiarach około 30x10 centymetrów. Jednak wraz z postępującą miniaturyzacją mogą one w przyszłości stanowić część HDD. Zainteresowanie pracami Francuzów wyrazili już najwięksi producenci dysków twardych.

Akademicy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara poinformowali o dokonaniu przełomowego odkrycia na polu kwantowego kontrolowania fotonów. Ich prace mogą mieć olbrzymie znaczenie na drodze do stworzenia komputerów kwantowych. Fizycy Max Hofheinz, John Martinis i Andrew Cleland opisali w jaki sposób użyli nadprzewodzącego złącza Josephsona do przygotowania rzadko spotykanych stanów kwantowych za pomocą promieniowania mikrofalowego. Naukowcy zamknęli fotony w mikrofalowej pułapce, w której światło odbija się w tę i z powrotem. Już wcześniej w takich pułapkach zamykali do 15 fotonów. Teraz udowodnili, że jednocześnie mogą zamknąć tam różną ich liczbę (0, 3 i 6). Stan kwantowy takiej pułapki można zmierzyć licząc fotony. Jednak, zanim je policzymy, pułapka znajduje się w kwantowej superpozycji, co oznacza, że przechowywane są w niej wszystkie możliwe rozwiązania, czyli 0,3 i 6. Cleland wyjaśnia: "superpozycja to podstawowe pojęcie mechaniki kwantowej. Po raz pierwszy udało się ją osiągnąć w sposób kontrolowany dzięki światłu. Naszą pułapkę można opisać jako kwantowy konwerter sygnału cyfrowego do analogowego". Konwertery takie są podstawowymi elementami współczesnych systemów komunikacyjnych. Prace naukowców z UCSB dają zatem nadzieję na rozwój kwantowej telekomunikacji.

Nieco ponad rok temu sensacją było splątanie - czyli teleportacja właściwości - dwóch atomów oddalonych od siebie na odległość metra i połączonych światłowodem. Teraz naukowcy z Joint Quantum Institute (JQI) oraz University of Maryland (UMD) dokonali tego samego, ale bez pośrednictwa światłowodu. Tym samym udowodnili, że możliwe jest bezprzewodowe przekazanie informacji kwantowej na odległość 1 metra. Naukowcy opracowali metodę, która w 90% przypadków umożliwia bezproblemowy przesył informacji. Twierdzą przy tym, iż odsetek ten można zwiększyć. Christopher Monroe z JQI mówi, że pozwala ona nie tylko stworzyć sieć kwantowych układów pamięci, ale, po skojarzeniu z technikami operacji na kwantowych bitach, umożliwi przeprowadzanie kwantowych obliczeń. To właśnie jego zespół dokonał przed kilkunastoma miesiącami przewodowego splątania. Uczeni wykorzystali, podobnie jak i wówczas, iterb. Jego jony zostały zamknięte w specjalnych pułapkach, a akademicy zidentyfikowali dwa odmienne stany energetyczne, które mogły służyć jako bity. Początkowo dwa jony ustawiono w pozycjach wyjściowych. Następnie jon A poddano działaniu mikrofali, które ustawiły go w jednym ze stanów energetycznych. W ten sposób zapisano w nim informację. Później oba jony zostały potraktowane pikosekundowymi impulsami światła laserowego. Trwały one tak krótko, że każdy jon wyemitował tylko jeden foton. Każdy z fotonów przybierał jeden z dwóch kolorów (czerwony lub niebieski), w zależności od stanu kwantowego bitu (qubitu). Fotony były wyłapywane przez soczewki, kierowane do różnych nitek światłowodu, którymi wędrowały do zwierciadła półprzezroczystego. Jest ono skonstruowane w ten sposób, że istnieje 50-procentowa szansa, iż foton przejdzie przez zwierciadło i 50-procentowa - że się od niego odbije. Po każdej ze stron zwierciadła umieszczono detektory, reagujące na fotony. Oba fotony, gdy docierają do zwierciadła, mogą dać cztery różne kombinacje (niebieski-niebieski, czerwony-czerwony, niebieski-czerwony i czerwony-niebieski). Istnieje jedna i tylko jedna kombinacja, która powoduje, że każdy z fotonów wpada do osobnego wykrywacza. W innych przypadkach jeden z fotonów się odbije, a drugi przejdzie przez lustro i oba trafią do tego samego wykrywacza. Sytuacja, w której fotony trafiają do osobnych detektorów, zdarza się rzadko, tak więc konieczne jest wysyłanie tysięcy fotonów w ciągu sekundy. Gdy jednak już trafią one do osobnych detektorów, jest to sygnał, iż pomiędzy jonami iterbu doszło do kwantowego splątania. Wówczas naukowcy mierzą stan jonu A. Sam akt pomiaru zmienia jego stan, ale, ponieważ A jest splątany z B, to zmianie ulega też stan jonu B. W zależności od tego, jaki stan przybrał A, naukowcy dokładnie wiedzą, jakie właściwości powinny mieć mikrofale, by udało się odczytać informację z jonu B. Informację, która została mu przekazana przez jon A. Jak podkreślają uczeni, w rzeczywistości informacja nigdzie nie wędruje. Ona po prostu podczas pomiaru znika z jonu A i pojawia się w jonie B. Szczególną zaletą naszej metody jest połączenie wyjątkowych właściwości fotonów i atomów. Fotony idealnie nadają się do szybkiego przekazywania informacji na duże odległości, a atomy są dobrym medium do długotrwałego przechowywania informacji w pamięci - mówi Monroe.

Upowszechnienie się kwantowych systemów komunikacyjnych to wciąż odległa przyszłość. Jedną spośród wielu trudności, na jakie napotyka ich rozwój, jest znalezienie sposobu na doprowadzenie do zderzenia niosącego informację fotonu z atomem. Wówczas dojdzie do przekazania informacji niesionej przez światło lub też do przeprowadzenia obliczeń. Trafienie w mały atom za pomocą jeszcze mniejszego fotonu jest jednak bardzo trudne. Obecnie atomy zamyka się w niewielkich pułapkach, składających się z szeregu luster. Foton, po wpadnięciu w pułapkę, nie może się z niej wydostać i odbija się pomiędzy lustrami tak długo, aż trafi w atom. Metoda ta jest kosztowna i mało efektywna. Średnio dochodzi do miliona odbić fotonu przed trafieniem w atom. Dzięki pracom naukowców z singapurskiego Instytutu Badań Materiałowych i Inżynierii oraz Uniwersytetu Technicznego w Monachium powstał znacznie prostszy i tańszy system, który pozwala na wywołanie interakcji pomiędzy światłem a materią. W próżniowej komorze akademicy uwięzili atom rubidu pomiędzy dwoma asferycznymi soczewkami, podobnymi do tych, które wykorzystywane są w standardowych odtwarzaczach CD. Pułapka ma szerokość kilkudziesięciu nanometrów. Dzięki soczewkom możliwe było precyzyjne skupienie wiązki światła na pułapce. Mimo, iż wiązka ta jest wielokrotnie większa niż pojedynczy atom rubidu, uzyskano dużą wydajność całego systemu. Aż 10% fotonów trafiło w atom. Udało się to dzięki odpowiedniemu dobraniu długości fali światła tak, by odpowiadało ono atomowi. Uczeni mówią, że metaliczny atom zadziałał jak antena nastrojona do wykrywania sygnału z wiązki. Zdaniem naukowców możliwe będzie zwiększenie efektywności systemu do około 100%. Wystarczy bowiem udoskonalić soczewki. Dzięki temu uzyskamy tanią i prostą alternatywę dla wykorzystywanych obecnie lustrzanych pułapek.

Jeśli dodamy zero do zera czy też pomnożymy 0 razy 0, to zwykle otrzymamy 0. Jednak, jak twierdzą badacze IBM-a, nie zawsze tak jest. Specjaliści z Thomas J. Watson Research Center zaprezentowali teoretyczną pracę dotyczącą przesyłania kwantowych informacji. Gdy wyślemy taką informację, czyli foton, światłowodem, w którym nie występują żadne zakłócenia, będziemy mogli odczytać ją, a więc odczytać stan fotonu, na drugim końcu przewodu. Inżynierowie Błękitnego Giganta proponują jednak inne rozwiązanie. Ich zdaniem można wysłać dwa splątane fotony dwoma oddzielnymi kablami, w których występują duże zakłócenia. Gdy fotony dotrą na miejsce, z żadnego ze światłowodów nie będziemy w stanie odczytać informacji, gdyż zostanie ona zniekształcona przez zakłócenia. Jednak z obu kabli jednocześnie informacja może zostać odczytana. Jeśli te teoretyczne rozważania uda się potwierdzić, to z jednej strony będzie można je wykorzystać w szyfrowaniu kwantowym, a z drugiej - ułatwi to budowę kwantowych komputerów. Jednak, jak przyznaje sam Graeme Smith, jeden z autorów wspomnianego dokumentu, teoria ta stawia więcej pytań, niż przynosi odpowiedzi. Jedna z interpretacji tego zjawiska jest taka, że oba fotony niosą różne rodzaje informacji. Jeśli tak jest w rzeczywistości, to pod znakiem zapytania staje dotychczasowe przekonanie specjalistów o tym, że informacja kwantowa nie jest podzielna na mniejsze składowe. Rozważania są oczywiście czysto teoretyczne, jednak teoria pochodzi z bardzo poważanego źródła, przez co może przewrócić do góry nogami niektóre przekonania. Patrick Hayden, profesor z McGill University, mówi, że badacze IBM-a otworzyli puszkę Pandory. Ich teoria tak mocno uderza w instytucję, w której pracuję, że muszę mieć więcej czasu na zastanowienie się nad nią - mówi Hayden. Dodaje przy tym: najbardziej wstrząsające jest to, że można połączyć dwie bezużyteczne rzeczy i powstanie rzecz użyteczna. Zdaniem profesora z teorii pracowników Błękitnego Giganta może powstać szersza teoria kwantowej synergii oraz nowe technologie rozwiązujące problem zakłóceń w komunikacji kwantowej. Sami autorzy mówią, że o ile ich teoria wygląda bardzo interesująco, to chcieliby zbudować coś praktycznego, co pozwoliłoby ją potwierdzić.

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego jako pierwsi wybudowali tranzystor wykorzystujący kwazicząsteczki zwane ekscytonami. Tego typu tranzysory mogą przyspieszyć pracę urządzeń komunikacyjnych. Do komunikacji wykorzystujemy światło, jednak w pewnym momencie niesiona przez foton informacja musi być zmieniona w dane elektryczne. Konwertowanie sygnału z fotonów do elektronów i odwrotnie, ogranicza prędkość systemów komunikacyjnych. Profesor Leonid Butov, który wraz z kolegami stworzył nowy tranzystor, wyjaśnia: Nasz tranzystor przetwarza sygnały używając do tego celu ekscytonów, które, podobnie jak elektrony, mogą być kontrolowane za pomocą napięcia elektrycznego, jednak w przeciwieństwie do elektronów, po opuszczeniu obwodu samoistnie zmienia się w foton. Takie sprzężenie pomiędzy ekscytonem a fotonem wypełnia lukę pomiędzy komunikacją a obliczaniem. Ekscytony to pary elektron-dziura. Są one tworzone przez światło w półprzewodnikach. Butov i jego współpracownicy użyli "studni kwantowych", które pozwoliły na utrzymanie pomiędzy elektronem a dziurą odległości kilku nanometrów. Taka konfiguracja pozwalała na kontrolowanie za pomocą napięcia elektrycznego powstających ekscytonów. Dzięki niemu można ekscyton zatrzymać lub go uwolnić i zezwolić na opuszczenie półprzewodnika. Opuszczając go ekscyton zanika emitując swoją energię w postaci rozbłysku światła. Naukowcy stworzyli już prosty układ scalony z bramkami i byli w stanie precyzyjnie kontrolować przepływ ekscytonów. Poruszają się one bardzo szybko. Przełączanie stanu bramki trwa około 200 pikosekund. Ekscytony nadają się zatem do przeprowadzania obliczeń, chociaż tutaj nie mają przewagi nad elektronami. Poruszają się z podobną prędkością, a ich wadą jest fakt, że wymagają nowych materiałów. Obecnie wykorzystywane półprzewodniki z arsenku galu wymagają np. schłodzenia do bardzo niskich temperatur, w przeciwnym razie ekscytony nie powstaną.

Naukowcy z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) opracowali metodę, która upraszcza i czyni tańszą dystrybucję kluczy szyfrujących w kryptografii kwantowej. Dzięki ich pracom kwantowe metody kryptograficzne mogą szybciej się upowszechnić. Amerykańskim uczonym udało się zmniejszyć liczbę detektorów - najbardziej kosztownych elementów systemu kryptograficznego - z czterech do dwóch. W kryptografii kwantowej odbiorca wiadomości musi odebrać sekwencję fotonów i zmierzyć ich polaryzację by uwiarygodnić wiadomość. Najpowszechniej używany obecnie protokół, BB84, wymaga wykorzystania czterech detektorów, z których każdy kosztuje od 5000 do 20 000 dolarów. Jedna para detektorów mierzy polaryzację pionową i poziomą, a druga polaryzację +/- 45 stopni. Naukowcy pod przewodnictwem Xiao Tanga opracowali optyczny komponent, który powoduje rotację fotonów o 45 stopni i pozwala na ich zmierzenie za pomocą tego samego czujnika. Wystarczy więc użyć jednej pary detektorów - tej mierzącej polaryzację pionową i poziomą, a następnie wysłać do nich fotony ponownie i je obrócić. Zaleta jest oczywista - polaryzację można zmierzyć za pomocą dwóch czujników. Jednak nie ma róży bez kolców. Druga para fotonów przybywa później, niż w przypadku wykorzystywania czterech detektorów. Naukowcy mówią, że ich system spowalnia transmisję danych o połowę. Jednak, jak zapewniają, nadal pracuje ona z na tyle dużą prędkością, że można przesyłać w czasie rzeczywistym zaszyfrowany obraz wideo tworzony za pomocą kamery internetowej.

Międzynarodowy zespół naukowców po raz pierwszy wykrył niskoenergetyczne neutrino i zbadał z jaką częstotliwością cząstki te docierają na Ziemię. Odkrycie, dokonane za pomocą detektora Borexino, potwierdza teorie dotyczące budowy Słońca i innych gwiazd. Przy okazji potwierdzono teorię, że neutrino oscyluje pomiędzy trzema formami: elektronową, mionową i taonową. W środku naszej gwiazdy zachodzi nieprzerwana zamiana wodoru w hel. Przy okazji produkowane są olbrzymie ilości energii. W wyniku reakcji zachodzących w Słońcu powstają też neutrina, które po około ośmiu minutach od powstania docierają do Ziemi. Tymczasem energia cieplna powstała w tym samym momencie dociera do nas dopiero po 50 000 lat, gdy wydostanie się na powierzchnię Słońca. Badania wnętrza gwiazdy są możliwe m.in. dzięki badaniom neutrino. Naukowców szczególnie interesują neutrino powstające w fazie 7Be, krytycznej dla tworzenia się słonecznej energii. W ciągu ostatnich 10 lat uczeni obserwowali neutrino podczas licznych eksperymentów. Były to jednak cząstki odznaczające się wysoką energią, które są dość rzadkie (występują w stosunku 1:10000 w porównaniu do neutrino niskoenergetycznych). Niewiele więc mówiły o budowie Słońca i tym, co dzieje się w jego wnętrzu. Naukowców interesują jednak bardziej neutrino niskoenergetyczne. Tych nie udało się dotychczas zaobserwować. Umożliwił to dopiero Borexino, wyjątkowy detektor umieszczony ponad kilometr pod Ziemią. Borexino znajduje się pod górą Gran Sasso w Apeninach. Detektor jest kulą o średnicy 18 metrów, którą zbudowano z ułożonych koncentrycznie paneli, mających zatrzymywać wszelkie promieniowanie. Naukowcy chcą za jego pomocą badać neutrino, które bardzo słabo reagują z wszelką materią. Dlatego też konieczne stało się odfiltrowanie wszelkich innych cząstek docierających z kosmosu. Celowi temu służy zarówno głębokość, na jakiej umieszczono Borexino, jak i wyjątkowo czyste materiały (miliony razy bardziej czyste niż wykorzystywane przy produkcji układów scalonych), z których zostało stworzone. Ponadto otoczono je 2400 tonami wody, która stanowi dodatkowy filtr. Wewnątrz wspomnianej kuli znajdują się dwie mniejsze zbudowane z nylonu umieszczone jedna w drugiej. Obie zawierają specjalny organiczny płyn, z tym, że płyn w środkowej kuli jest czystszy. Borexino wypełnione jest siecią 2200 czujników, które rejestrują rozbłyski światła (fotony) powstające, gdy neutrino zderzy się z elektronem w płynie organicznym. Zbudowanie tak skomplikowanego urządzenia badawczego okazało się konieczne. Obserwacje wysokoenergetycznych neutrino wydawały się potwierdzać obowiązujące teorie, jednak nie dawały ostatecznego dowodu. Do jego uzyskanie konieczne było schwytanie niskoenergetycznego neutrino. O tym, jak trudnej sztuki dokonano może świadczyć chociażby fakt, że w każdej sekundzie przez ciało każdego mieszkańca Ziemi przenika około 100 bilionów neutrino nie czyniąc nam żadnej szkody.