Ученые из Национальной лаборатории Сандиа и Института Макса Планка разработали технологию для генерации сети квантовых запутанных фотонов с помощью довольно простой установки. Ключом является точно структурированная поверхность в 100 раз тоньше бумаги, которая может заменить целую комнату оптического оборудования.
Квантовая запутанность - это феномен, при котором две частицы могут быть настолько сильно связаны друг с другом, что манипулирование одной из них мгновенно отразится на ее соседе, независимо от того, насколько далеко они могут находиться друг от друга. Этот эффект лежит в основе таких новых технологий, как квантовые вычисления и квантовое шифрование.
Проблема в том, что создание запутанных групп фотонов является довольно сложной задачей. Обычно для этого используются большие массивы лазеров, специализированные кристаллы и другое оптическое оборудование. Однако специалисты из Сандии и Макса Планка предложили гораздо более простое решение - метаповерхность.
Эти устройства действуют подобно линзам, манипулируя проходящим через них светом очень контролируемым образом. Но вместо того, чтобы делать это с помощью своей кривой и толщины, метаповерхности были точно вытравлены с помощью наноразмерных структур для изменения света в зависимости от поставленной задачи, включая улавливание атомов, захват более четких цветов в изображениях и даже создание голограмм. Самое главное, что метаповерхности могут совершать эти подвиги в гораздо меньших устройствах, чем предыдущие технологии.
В данном исследовании метаповерхность имела форму ультратонкого листа стекла, покрытого наноструктурами из полупроводникового материала - арсенида галлия. Если через такую метасреду направить лазерный луч, то некоторые фотоны, выходящие с другой стороны, образуют запутанные пары. Причем не просто по одной паре за раз, а целую систему запутанных фотонов. По словам команды, для этого обычно требуется целая лаборатория с большим количеством оборудования.
"Это довольно сложно и в некотором роде трудновыполнимо, поскольку для мультизапутывания требуется более двух или трех пар", - говорит Игал Бренер, ведущий автор проекта. " Такие нелинейные метаповерхности, по сути, решают эту задачу за один сеанс, в то время как раньше для этого требовались невероятно сложные оптические приборы".
Возможность вызывать квантовую запутанность в группах фотонов одновременно может иметь широкий спектр применения в квантовых компьютерах, шифровании, связи и оптике. Однако по словам команды, прежде чем это произойдет, еще предстоит проделать огромную работу по усилению эффективности новой метасреды.
Результаты этого эксперимента были опубликованы в журнале Science.
Источники: Sandia Labs, журнал Science
1. (https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq8684)
2. (https://newsreleases.sandia.gov/quantum_metasurface/)
Новости