В классической оптике нелинейные эффекты проявляются при достаточно высоких интенсивностях света, когда поляризация среды перестаёт быть пропорциональной электрическому полю. Однако в квантовой области ключевым становится не число фотонов, а возможность возникновения нелинейного отклика при взаимодействии с одним или несколькими фотонами. Такая ситуация реализуется в специально созданных структурах — квантовых метаматериалах, где сильное взаимодействие света и материи становится возможным благодаря локализации электромагнитных мод и управляемым резонансным процессам.
Квантовая нелинейность проявляется в том, что поведение одного фотона способно изменить отклик системы на другой фотон. Это открывает путь к управляемым квантовым операциям, реализуемым не за счёт макроскопической энергии, а за счёт дискретных квантовых состояний.
Одиночный фотон — фундаментальный носитель квантовой информации. Его уникальная особенность состоит в том, что он не делим и способен нести информацию в суперпозиционных состояниях, включая поляризацию, фазу и орбитальный угловой момент. Метаматериалы, способные взаимодействовать с одиночным фотоном нелинейным образом, формируют основу для:
Существует несколько фундаментальных механизмов, которые обеспечивают нелинейный отклик при малом числе фотонов:
Сильная связь света и вещества При помещении атома, квантовой точки или искусственного сверхпроводникового кубита в резонатор или волновод с высокой добротностью возможно формирование режима сильного взаимодействия. В этом режиме поглощение или излучение одного фотона радикально изменяет спектральные свойства системы, делая её прозрачной или, напротив, отражающей для последующих фотонов.
Эффект блокировки фотонов (photon blockade) Если первый фотон возбуждает квантовую систему и изменяет её резонансную частоту, то второй фотон с той же энергией уже не может быть поглощён. Возникает ситуация, при которой система пропускает по одному фотону за раз. Это явление является прямым аналогом кулоновской блокировки для электронов и служит фундаментом для генерации субпуассоновских световых потоков.
Нелинейные процессы в метаповерхностях Метаповерхности с нанорезонаторами способны усиливать локальные поля и создавать условия для нелинейного взаимодействия на уровне одиночных фотонов. Контролируя геометрию метаатомов, удаётся задавать специфический отклик, в том числе генерацию второго или третьего гармонического фотона, усиленную квантовыми корреляциями.
Эффекты Райдберговских атомов Атомы в сильно возбуждённых состояниях Райдберга обладают огромным дипольным моментом. Взаимодействие между ними столь велико, что возбуждение одного атома подавляет возможность возбуждения соседнего. Это позволяет реализовать нелинейные сдвиги фазы при взаимодействии фотонов, проходящих через облако холодных атомов.
Развитие квантовых нелинейностей тесно связано с прогрессом в инженерии искусственных квантовых систем. Среди наиболее значимых платформ:
Квантовые нелинейности и управление одиночными фотонами лежат в основе будущих квантовых устройств:
Несмотря на значительные успехи, достижение сильных квантовых нелинейностей в реальных устройствах остаётся сложной задачей. Основные препятствия связаны с потерями, шумом и нестабильностью квантовых систем. Перспективным направлением является сочетание различных платформ: интегрированные фотонные схемы, сверхпроводниковые технологии и атомные ансамбли. Именно такие гибридные решения позволяют максимально эффективно использовать нелинейные эффекты одиночных фотонов для практических квантовых технологий.