Реализация сильного взаимодействия между отдельными фотонами является давней целью, имеющей как фундаментальное, так и технологическое значение.
Ученые уже более полувека знают, что световые поля могут взаимодействовать внутри нелинейных оптических сред, но нелинейность обычных материалов при мощности света, связанной с отдельными фотонами, ничтожно мала.
Тем не менее, заметные достижения в квантовой оптике в последнее время привели к демонстрации нескольких методов получения оптических нелинейностей на уровне отдельных фотонов.
Системы, демонстрирующие сильное фотонное взаимодействие, позволяют использовать ряд уникальных приложений, включая квантовое управление световыми полями, однофотонные переключатели и транзисторы, полностью оптическую детерминированную квантовую логику и реализацию сильно коррелированных состояний света и материи.
Фотоны, перемещающиеся в вакууме, не взаимодействуют друг с другом.
Такая линейность в распространении света в сочетании с высокой частотой и, следовательно, большой пропускной способностью, обеспечиваемой волнами на оптических частотах, делает оптические сигналы предпочтительным методом передачи информации на большие расстояния.
В отличие от этого, обработка информации требует определенной формы взаимодействия между сигналами. В случае света такое взаимодействие может быть обеспечено нелинейными оптическими процессами.
Эти процессы, которые в настоящее время повсеместно встречаются в науке и технике, включают:
- оптическую модуляцию
- коммутацию
- нелинейную спектроскопию
- преобразование частоты
Все они находят применение как в физической, так и в биологической науке.
Одной из давних целей в оптической науке была реализация нелинейных эффектов при прогрессивно снижающейся мощности света или энергии импульсов. Конечный предел можно назвать "квантовой нелинейной оптикой" - режимом, при котором отдельные фотоны взаимодействуют настолько сильно друг с другом, что распространение световых импульсов, содержащих один, два или более фотонов, существенно отличается в зависимости от числа фотонов.
Хотя эта область труднодоступна из-за небольших нелинейных коэффициентов сыпучих оптических материалов, потенциальная отдача является значительной.
Реализация квантовой нелинейной оптики может улучшить эксплуатационные характеристики классических нелинейных устройств, что позволит, например, использовать быстрые энергосберегающие оптические транзисторы, которые позволяют избежать омического нагрева.
Кроме того, нелинейные переключатели, активируемые отдельными фотонами, могут обеспечивать оптическую квантовую обработку информации и связь, а также другие приложения, основанные на генерации и манипулировании неклассическими световыми полями.
При малых оптических мощностях большинство оптических материалов проявляют только линейные явления, такие как преломление и поглощение, которые могут быть описаны сложным индексом преломления.
Однако достаточно интенсивный луч света может изменить коэффициент преломления материала таким образом, что распространение света становится зависимым от мощности.
В этом суть классической нелинейной оптики.
Для изменения коэффициента преломления обычных сыпучих материалов требуются большие оптические поля, поскольку сильный нелинейный отклик может быть вызван только в том случае, если электрическое поле луча света, действующего на электроны, сопоставимо с полем ядра.
В результате ранние экспериментальные наблюдения за нелинейными оптическими явлениями, такими как удвоение частоты или генерация суммарной частоты , были достижимы только после разработки мощных лазеров.
Достижения в нелинейной оптике за последние четыре десятилетия привели к постепенному повышению эффективности нелинейных процессов , что позволяет вести наблюдение за ними при низких уровнях освещенности.
В связи с этим, возникает вопрос, можно ли сделать эти нелинейные взаимодействия настолько сильными, что они становятся важными даже на уровне отдельных квантов излучения, и если да, то каким образом.