Німецькі та російські вчені спіймали 100 тис. заплутаних фотонів

Вченим вдалося отримати 100 тис. фотонів, що знаходяться в стані квантової заплутаності. Важливість цього досягнення підкреслює той факт, що попередній рекорд становив усього 12 частинок.

Німецьким ученим вдалося отримати 100 тисяч фотонів, що знаходяться в стані квантової заплутаності. Важливість цього досягнення підкреслює той факт, що попередній рекорд становив усього 12 фотонів.

Явище квантової заплутаності являє собою тендітний зв'язок, який виникає між двома і більше частками. Заплутані частинки мають однаковий квантовий стан незалежно від відстані, яка відділяє їх у просторі. При цьому якщо одна з частинок змінює свій стан, те ж саме роблять всі інші її "побратими".

Раніше для одержання декількох заплутаних фотонів вчені пропускали промінь лазера через оптичний кристал - поляризаційний роздільник. Проходячи через кристал, частинка світла ділилася на два слабших заплутаних фотони, один з яких зберігався в установці, а другий розділявся ще на два. При цьому з кожним роздвоєнням інтенсивність променя світла падала вдвічі.

Після кількох подібних операцій точності реєструючих приладів ставало недостатньо, щоб реєструвати квантовий стан знову утворених частинок.

Марія Чехова і її колеги з Московського Державного Університету та Інституту вивчення світла Макса Планка розробили і застосували абсолютно нову методику вимірювань, яка дозволила працювати з набагато більшим числом фотонів, пише New Scientist.

Так можна було б представити генерацію фотонів у заплутаних квантових станах у результаті спонтанного параметричного розсіяння лазерного потоку в нелінійному кристалі (ілюстрація J-Wiki/Wikimedia Commons)

Вчені "стріляли" короткими лазерними імпульсами через поляризаційний роздільник пучка (polarizing beam splitter), отримуючи два промені з різною поляризацією фотонів.

Потім обидва променя пропускали через два нелінійних кристали барію. Нелінійна природа кристалів призводила до того, що кожен фотон породжував нову пару пов'язаних частинок з однаковою поляризацією, але з різними енергіями, скажімо, A і B.

Оскільки фотон є одночасно і часткою, і хвилею, то різнилися і довжини хвиль отриманих фотонів. У результаті одна частинка належала інфрачервоній частині спектру, а інша - видимій.

Початковий розпад у кристалі відбувається спонтанно, і, як тільки перша пара фотонів виявляється в кристалах, вона ініціює появу нових пар. Зрештою фізики отримують каскад заплутаних часток, що знаходяться в стислому стані.

Потім пучки пов'язаних фотонів вчені направляють на другий поляризаційний роздільник пучка, тільки він цього разу не ділить, а об'єднує їх, роблячи загальний промінь неполяризованим. Направляючи світло на дихронічну пластинку, вчені змінюють поляризацію фотонів. Так поляризація фотонів з енергією A розрізняється на 90 градусів з поляризацією фотонів з енергією B.

На виході вчені отримують фотони в заплутаному стані: скажімо, якщо частинки з енергією A мають вертикальну поляризацію, то частинки з енергією B будуть горизонтально поляризованими і навпаки (у разі кругової поляризації - можуть бути з лівого і правого, відповідно).

Щоб зрозуміти, що отримані фотони були заплутані, дослідники пропускали промінь через третій поляризаційний роздільник. Він направляв фотони з різною поляризацією на два окремих детектори. Після цього вчені підраховували кількість частинок у кожному промені. Кореляція сигналів з двох датчиків вказувала на ступінь заплутаності фотонів в імпульсі. Результати вимірювань показали, що всі 100 000 фотонів опинилися в стані квантової заплутаності, залежно один від одного.

Докладний звіт про останні дослідження опубліковано в журналі Physical Review Letters.

Фахівці вважають, що рано робити однозначні висновки про роботу німецьких дослідників. Адже до цього стан квантової заплутаності "ловили" по двом станам, а в останньому експерименті кількість цих станів досягла одного мільйона. Це робить саме поняття заплутаності набагато більш складним.

Однак результати, отримані групою німецьких фізиків, у будь-якому випадку мають велике значення для розвитку квантової науки. Вони можуть бути використані при розробці абсолютно нових систем передачі даних, які, як очікується, ляжуть в основу квантових комп'ютерів та квантового Інтернету майбутнього. !zn