Совместная работа американских и датских физиков, опубликованная в Nature, представила общий план создания оптического устройства, которым можно управлять с помощью единственного фотона. Подобные устройства являются аналогом транзистора, только поток электронов в нем полностью отсутствует.

Устройство еще предстоит создать, однако уже ясно, что это вполне реальная задача. Концепция будущего "однофотонного транзистора" предусматривает использование одного атома, который контролирует прохождение отдельных фотонов с помощью очень тонкого металического провода (диаметром порядка нескольких нанометров).

Обычно для управления потоком фотонов используется другой поток, а не отдельный фотон, поскольку одиночные фотоны взаимодействуют друг с другом крайне редко. Для воздействия на отдельный фотон нужно каким-либо образом его ограничить, для этого применяют квантовые точки или даже отдельные атомы в оптическом резонаторе.

Д-р Михаил Лукин и его коллеги из Гарвардского университета, а также группа ученых из университета им. Нильса Бора в Копенгагене разработали новый подход для создания сильного нелинейного взаимодействия на уровне отдельных фотонов. Если направить фотоны к поверхности нанопровода, в нем образуются плазмоны - квазичастицы, возникающие при квантовании колебаний электронного газа внутри металлического проводника.

Гарвардские ученые провели теоретический расчет и установили, что при нахождении отдельного атома вблизи поверности нанопроводника он поглощает образующийся плазмон и переходит в возбужденное состояние. Если теперь такой отдельный атом облучать фотонами, он не сможет поглощать их энергию, и фотоны будут беспрепятственно распространяться. Это состояние соответствует открытому транзистору. "Закрыть" транзистор можно с помощью другого одиночного импульса, который дезактивирует возбужденное состояние атома, при этом снова генерируется плазмон в нанопроводе.

У нового способа управления фотонами есть существенные преимущества по сравнению с известными вариантами, использущими оптические резонаторы, которые, в отличие от нанопроводников, настроены только на определенные резонансные частоты. У нанопроводников, напротив, есть возможность работать в широком диапазоне длин волн.

Когда подобные устройства будут созданы, они найдут применение в качестве детекторов отдельных фотонов в системах оптической связи. Другое направление их применений - квантовые логические устройства в будущих квантовых компьютерах. Для создания реальных устройств необходимо подобрать атомы, сильно взаимодействующие с плазмонами, и, кроме того, необходимо разработать устройства сопряжения нанопроводов с оптоволоконными кабелями.