По какъв начин учените създават заплетени фотони.

Ново проучване в Nature Physics демонстрира един съвсем нов метод за генериране на квантово заплитане с помощта на квантова точка, който нарушава неравенството на Бел. Този метод използва свръхниски нива на мощност и може да открие пътя към мащабируеми и ефективни квантови технологии.

Квантовото заплитане е от съществено значение за технологиите за квантови изчисления. При това явление кубитите (квантовите битове) – градивните елементи на квантовите компютри – остават корелирани независимо от физическото им разстояние.

Това означава, че ако се измери свойството на единия кубит, то се отразява на другия. Квантовото заплитане се проверява с помощта на неравенството на Бел – теорема, която проверява валидността на квантовата механика чрез измерване на заплетените кубити.

Изданието Phys.org разговаря с първия автор на изследването, д-р Шикай Лиу от Института „Нилс Бор“ към Копенхагенския университет в Дания. Интересът на д-р Лиу към квантовите точки се дължи на предишната му работа с традиционните източници на заплитане.

Неравенството на Бел

В основата на това изследване е неравенството на Бел – математическо определение, разработено от физика Джон Стюарт Бел през 1964 г., което се използва за разграничаване на класическите и квантовите корелации. С него се проверява дали наблюдаваните корелации между частиците могат да бъдат обяснени с класическата физика или изискват квантова механика.

В квантовия свят частиците могат да проявяват корелации, които са по-силни, отколкото е възможно в класическия свят. Неравенството на Бел определя един праг: ако корелациите надхвърлят този праг, тогава природата на корелациите е квантова, което показва квантово заплитане.

Изследователите използват уравнението, за да потвърдят валидността на своя експеримент и да установят дали тяхната постановка води до квантово заплитане. Устройството се базира на квантови точки и вълноводи.

Изкуствени атоми върху чипа

Квантовите точки са наноструктури, които се държат като изкуствени атоми. По същество те са полупроводникови чипове, проектирани да улавят електрони в своята структура.

Чрез улавянето на електрони в едно малко пространство, те започват да проявяват количествени енергийни състояния, точно както при атомите. Затова се казва, че квантовите точки се държат като изкуствени атоми.

Тези квантови точки действат като двустепенни системи, подобни на естествените атоми, но с предимството да бъдат интегрирани в един чип. Освен това енергийните нива могат да се настройват в зависимост от размера и състава на квантовата точка.

Системите от квантови точки могат да действат като излъчватели, което означава, че могат изключително ефективно да излъчват единични фотони. При определени условия излъчените фотони могат да бъдат заплетени.

Вълноводното свързване

За да подобрят ефективността, кохерентността и стабилността на излъчваните фотони от квантовата точка, изследователите я свързват с вълновод от фотонен кристал.

Тези материали имат периодична структура от редуващи се материали с висок и нисък коефициент на пречупване. Това дава възможност за насочване на светлината през тръбна структура, която е тънка колкото човешки косъм.

Вълноводите дават възможност да се контролира и манипулира разпространението на светлината по отношение на посоката и дължината на вълната, като по този начин се подобрява взаимодействието на светлината с материята.

Постигането на ефективна връзка между вълновода и квантовата точка обаче представлява значително предизвикателство.

„За да подобрим взаимодействието на светлината с материята, ние изработихме вълновод от фотонни кристали, който осигурява силно ограничаване на квантовата точка“, обяснява д-р Лиу. „Това не само доведе до висока ефективност на свързване на излъчваната светлина с вълновода (повече от 90%), но също така 16 пъти подобри ефекта на Пърсел чрез забавяне на светлината в наноструктурата и увеличаване на времето й за взаимодействие с квантовата точка.“

Усилването на ефекта на Пърсел се отнася до явлението, при което скоростта на спонтанното излъчване на квантов излъчвател (например квантова точка) се увеличава, когато той е поставен в резонансна оптична кухина или в близост до структурирана фотонна среда.

Казано по-просто, усилването на ефекта на Пърсел увеличава излъчването на светлина от квантовите излъчватели чрез поставянето им в среда, която засилва взаимодействието им със светлината. Това става чрез промяна на броя на различните начини за излъчване на светлина в областта около излъчвателя.

Нарушаване на неравенството на Бел

Екипът се сблъска и с бързата декохерентност (бърза загуба на кохерентност), причинена от топлинните вибрации в кристалната решетка. Тези вибрации нарушават стабилните квантови състояния на частиците, което затруднява поддържането и точното измерване на техните квантови свойства.

Решението им е да охладят чипа до -269 °C, за да сведат до минимум нежеланите взаимодействия между квантовата точка и фононите в полупроводниковия материал.

След като създават система с двустепенни излъчватели за получаване на заплетени фотони, изследователите използват два асиметрични интерферометъра на Мах-Зендер, за да извършат тест за неравенство на Бел CHSH (Clauser-Horn-Shimony-Holt). CHSH е форма на неравенството на Бел.

Чрез внимателно регулиране на фазите на интерферометъра изследователите измерват интерференцията на Франсон между излъчените фотони. Интерференцията на Франсон е вид интерференчен модел, наблюдаван при експерименти в квантовата оптика, включващи заплетени фотони.

„Наблюдаваната стойност на параметъра S при нашите измервания беше 2,67 ± 0,16, което е доста над границата на локалност от 2. Този резултат потвърди нарушаването на неравенството на Бел, като по този начин потвърди състоянието на енергийно-времевото заплитане, създадено чрез нашия метод“,.

каза д-р Лиу

Това нарушение е важно, защото потвърждава квантовата природа на корелациите между фотоните.

Енергийна ефективност и бъдеще

Една от изключителните характеристики на тяхната система с двустепенни излъчватели е нейната енергийна ефективност.

Заплитането е генерирано при мощност на напомпване едва 7,2 пиковата, което е около 1000 пъти по-малко от традиционните източници на единични фотони. Тази свръхниска мощност, съчетана с интеграцията в чипа, прави метода изключително многообещаващ за практическите квантови технологии.

Д-р Лиу вижда няколко вълнуващи насоки за бъдещи изследвания:

„Една от посоките е да се изследват сложните фотонни квантови състояния и взаимодействията между много частици чрез нееластично разсейване върху множество двустепенни излъчватели. Освен това по-нататъшното интегриране на нашия метод в съвместими фотонни вериги ще даде възможност за повече функционалност при малки размери, което ще подобри универсалните фотонни квантови приложения, включително изчисления, комуникации и сензори.“