Как физики добились однофотонной запутанности: новый метод на основе двухуровневого эмиттера

Представьте себе мир, где информация передаётся со скоростью света и защищена от взлома законами квантовой физики. Мир, где сверхчувствительные датчики могут обнаружить малейшие изменения в окружающей среде, а квантовые компьютеры решают задачи, непосильные для самых мощных современных суперкомпьютеров. Этот мир, кажущийся фантастикой, становится всё ближе благодаря стремительному развитию квантовых технологий, в основе которых лежат удивительные явления микромира.

Одним из таких явлений является квантовая запутанность — феномен, который даже Альберт Эйнштейн называл «призрачным действием на расстоянии», настолько он противоречил классическим представлениям о пространстве и времени. Суть запутанности заключается в том, что две или более частицы, например, фотоны, оказываются связанными между собой невидимой нитью, независимо от расстояния между ними. Измерив состояние одной из запутанных частиц, мы мгновенно узнаем состояние другой, даже если она находится на другом конце Вселенной.

Долгое время квантовая запутанность оставалась предметом теоретических споров и лабораторных экспериментов. Однако в последние годы учёные добились значительных успехов в создании и манипулировании запутанными состояниями, что открывает перед человечеством захватывающие перспективы.

Недавно группа исследователей из Копенгагенского университета опубликовала в журнале Nature Physics результаты работы, демонстрирующей новый, удивительно простой и эффективный способ создания запутанных пар фотонов. В основе этого метода лежит взаимодействие одиночных фотонов с двухуровневым квантовым излучателем, роль которого играет квантовая точка, встроенная в фотонный кристаллический волновод.

Фотонный кристаллический волновод представляет собой миниатюрную структуру, созданную нанометровыми методами на поверхности полупроводникового чипа. Эта структура подобна лабиринту для света, способному «замедлять» фотоны и направлять их по строго определённым траекториям. В определённых точках этого лабиринта располагаются квантовые точки — крошечные островки полупроводникового материала, обладающие свойствами искусственных атомов.

Как и атомы, квантовые точки имеют дискретные энергетические уровни. Поглощая или излучая фотоны, квантовая точка может переходить с одного уровня на другой. Ключевым моментом в эксперименте датских учёных стало использование двухуровневой квантовой точки, обладающей лишь двумя энергетическими уровнями — основным и возбужденным.

Когда на такую квантовую точку попадает одиночный фотон, он может либо поглотиться, переведя её в возбужденное состояние, либо пройти мимо, не провзаимодействовав. Однако, когда на квантовую точку одновременно попадают два фотона, ситуация кардинально меняется. В этом случае фотоны могут «столкнуться» между собой, обменявшись энергией. Квантовая точка, в свою очередь, выступает в роли посредника, «запутывая» фотоны между собой.

Для подтверждения наличия запутанности учёные провели серию экспериментов, в ходе которых измеряли корреляции между характеристиками фотонов, прошедших через волновод. Результат превзошёл все ожидания — уровень запутанности оказался настолько высоким, что позволил нарушить неравенство Белла. Это неравенство является своеобразным «водоразделом», отделяющим классическую физику от квантовой. Нарушение неравенства Белла свидетельствует о том, что наблюдаемые корреляции не могут быть объяснены никакими теориями, основанными на «здравом смысле» и классических представлениях о реальности.

Новый метод создания запутанных фотонов обладает рядом неоспоримых преимуществ. Во-первых, он работает на уровне отдельных фотонов, что делает его чрезвычайно экономичным и энергоэффективным. Во-вторых, он не требует сложных систем управления и охлаждения, что существенно упрощает его практическую реализацию. Наконец, новый метод позволяет создавать запутанные фотоны «по требованию», что крайне важно для многих квантовых технологий.

Потенциальные области применения запутанных фотонов поистине безграничны. Квантовая криптография гарантирует абсолютную секретность передачи информации, поскольку любая попытка перехвата сообщения неизбежно приведёт к нарушению запутанности и будет обнаружена. Квантовые компьютеры, использующие запутанные фотоны в качестве кубитов, смогут решать задачи, недоступные даже самым мощным суперкомпьютерам. Квантовые датчики, основанные на эффекте запутанности, обеспечат непревзойденную точность измерений в различных областях науки и техники.

Исследование датских учёных — важный шаг на пути к реализации всего потенциала квантовых технологий. Возможно, именно этот метод ляжет в основу будущих квантовых устройств, которые изменят наш мир до неузнаваемости.