بوابة فوتون-فوتون كمية مبنية على ذرة واحدة في مرنان بصري

يمثل عدم تأثُّر تقاطُع فوتونين في الفضاء وسيلةً مثالية لنقل دقيق للمعلومات، ولكنه يحظر التفاعل بين الفوتونات، لكن تُعَدّ هذه الوسيلة ضرورية من أجل عدد كبير من التطبيقات في معالجة المعلومات الكمية البصرية. وقد كان التحدي طويل الأمد هو تحقيق بوابة فوتون-فوتون محددة، وهي عملية منطقية على الحالات الكمية للفوتونات، مسيطَر عليها بشكل متبادل. ويتطلب ذلك وجود تفاعل قوي جدًّا، بحيث يمكن لأي من الفوتونين أن يحوِّل طور الآخر بمقدار π زاوية نصف قطرية. في حالة استقطاب البتات الكمية، يرقى هذا إلى تقليب مشروط لاستقطاب أي من الفوتونين إلى حالة متعامدة. وحتى الآن، لم يتحقق ذلك، إلا في البوابات الاحتمالية المعتمدة على البصريات الخطية وكاشفات الفوتون، لأنه "لا توجد مادة معروفة أو متوقعة لها خصائص بصرية غير خطية قوية بما فيه الكفاية؛ لتحقيق هذا الانزياح الطوري المشروط". وفي الوقت نفسه، فتح التقدم الهائل في تطوير نُظُم الكَمّ غير الخطية آفاقًا جديدة في تجارب الفوتون- الأحادي، حيث تتراوح أنظمة المنصّات من مصائد ريدبيرج في مجموعات ذرية إلى الديناميكا الكهربائية الكمية لذَرَّة في تجويف. وقد تم الوصول إلى تطبيقات مثل مفاتيح فوتون أحادية، وترانزستورات، وبوابات ثنائية-الفوتون، وكاشفات فوتون غير إتلافية، وموجِّهات الفوتون، ومزيحات طَوْر غير خطية، ولكن لا تملك أيّ منها ناقل معلومات مثاليًّا (بتات كمية بصرية في أنماط يمكن وصفها). استخدم الباحثون الاقتران القوي بين الضوء-المادة، الذي توفره ذَرَّة واحدة في مرنان بصري عالي الجودة؛ لتحقيق بروتوكول دوان - كيمبل لبوابة فوتون-فوتون كمية ذات قلاب طَوْر عام متحكَّم فيه (π تحوُّل طوري). وقد حققوا دقة بوابة في متوسط (76.2 ± 3.6) في المائة، وأثبتوا على وجه التحديد القدرة على تقليب استقطاب مشروط، فضلًا عن توليد تشابك بين فوتونات المدخلات المستقلة. بوابة الفوتون–الفوتون الكمية هي عنصر شامل يعتمد على المنطق الكمي، وبالتالي يمكن أن تؤدي معظم العمليات ثنائية-الفوتون الحالية. وقد تسفر البروتوكولات التحديدية للمعالجة البصرية للمعلومات الكمية عن تطبيقات جديدة، حيث تكون الفوتونات ضرورية، خصوصًا في الاتصالات الكمية لمسافات طويلة، والحوسبة الكمية القياسية.