Запутывающие фотоны разных цветов

Тщательно разработав геометрию кольцевого резонатора в микрометровом масштабе, исследователи из NIST создали пары запутанных фотонов (частиц света), которые имеют два очень разных цвета или длины волны. Свет от лазера накачки (фиолетовые области в резонаторе) генерирует один фотон в каждой паре на длине волны видимого света (красные пятна в резонаторе и вокруг него); другой фотон имеет длину волны в телекоммуникационной (ближней инфракрасной) части спектра (синие пятна). С точки зрения квантовой коммуникации, эти пары объединяют лучшее из обоих миров в оптической цепи: партнер видимого света может взаимодействовать с захваченными атомами, ионами или другими системами, которые служат квантовыми версиями компьютерной памяти, в то время как телекоммуникационный член каждой пары может свободно распространяться на большие расстояния по оптоволоконной сети. Предоставлено: S. Kelley / NIST.

Некоторые из наиболее совершенных систем связи, которые сейчас разрабатываются, опираются на свойства квантовой науки для хранения и передачи информации. Однако исследователи, разрабатывающие квантовые системы связи, которые для передачи информации используют свет, а не электрический ток, сталкиваются с трудностями: оптические компоненты, которые хранят и обрабатывают квантовую информацию, обычно требуют для работы фотоны видимого света (частицы света). Однако только фотоны ближнего инфракрасного диапазона — с длиной волны примерно в 10 раз больше — могут передавать эту информацию через километры оптических волокон.

Теперь исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали новый способ решения этой проблемы. Впервые команда создала квантово-коррелированные пары, состоящие из одного видимого и одного ближнего инфракрасного фотона, используя оптические компоненты на основе чипов, которые могут быть произведены серийно. Эти пары фотонов объединяют в себе лучшее из обоих миров: партнеры в видимом свете могут взаимодействовать с захваченными атомами, ионами или другими системами, которые служат квантовыми версиями компьютерной памяти, в то время как члены ближнего инфракрасного диапазона каждой пары могут свободно распространяться на большие расстояния через оптическое волокно.

Это достижение обещает повысить способность цепей на основе света безопасно передавать информацию в отдаленные места. Исследователи NIST Сиюань Лу, Картик Сринивасан и их коллеги из наноцентра Университета Мэриленда в Колледж-Парке продемонстрировали квантовую корреляцию, известную как запутывание, с использованием определенной пары фотонов в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Тем не менее, методы проектирования исследователей могут быть легко применены для создания многих других пар видимого света / ближней инфракрасной области, адаптированных к конкретным интересующим системам. Кроме того, миниатюрные оптические компоненты, которые создали переплетения, производятся в большом количестве.

Лу, Шринивасан и их коллеги недавно описали свою работу в области физики природы.

Одно из наиболее противоречивых свойств квантовой механики, квантовая запутанность возникает, когда два или более фотонов или других частиц подготовлены таким образом, что они настолько неразрывно связаны между собой, что ведут себя как единое целое. Измерение, которое определяет квантовое состояние одной из запутанных частиц, автоматически определяет состояние другой, даже если две частицы лежат на противоположных сторонах вселенной. Запутанность лежит в основе многих квантовых информационных схем, включая квантовые вычисления и шифрование.

Во многих ситуациях два спутанных фотона имеют одинаковую длину волны или цвет. Но исследователи NIST намеренно создали странные пары — запутывание между фотонами, цвета которых очень разные.

«Мы хотели связать вместе фотоны видимого света, которые хороши для хранения информации в атомных системах, и телекоммуникационные фотоны, которые находятся в ближней инфракрасной области и хорошо путешествуют по оптическим волокнам с низкой потерей сигнала», — сказал Сринивасан.

Чтобы сделать фотоны пригодными для взаимодействия с большинством квантовых систем хранения информации, команда также нуждалась в том, чтобы свет был резко пиковым на определенной длине волны, а не имел более широкое, более рассеянное распределение.

Чтобы создать запутанные пары, команда создала специально разработанную оптическую «шепчущую галерею» — наноразмерный резонатор из нитрида кремния, который направляет свет на крошечную ипподром, подобно тому, как звуковые волны беспрепятственно распространяются вокруг изогнутой стены, такой как купол в Собор Святого Павла в Лондоне. В таких изогнутых структурах, известных как акустические шепчущие галереи, человек, стоящий около одной части стены, легко слышит слабый звук, исходящий из любой другой части стены.

Когда выбранная длина волны лазерного света направлялась в резонатор, возникали запутанные пары фотонов видимого света и ближнего инфракрасного диапазона. (Конкретный тип запутывания, используемый в эксперименте, известный как запутывание энергии времени, связывает энергию пар фотонов со временем, в которое они генерируются.)

«Мы выяснили, как сконструировать эти резонаторы с шепчущей галереей для получения большого количества нужных нам пар, с очень небольшим фоновым шумом и другим посторонним светом», — сказал Лу. Исследователи подтвердили, что запутывание сохраняется даже после того, как телекоммуникационные фотоны прошли через несколько километров оптического волокна.

В будущем, путем объединения двух запутанных пар с двумя квантовыми воспоминаниями, запутанность, присущая парам фотонов, может быть перенесена в квантовые воспоминания. Этот метод, известный как перестановка запутывания, позволяет запутывать воспоминания друг с другом на гораздо большем расстоянии, чем это обычно возможно.

«Наш вклад заключался в том, чтобы выяснить, как создать квантовый источник света с правильными свойствами, которые могли бы обеспечить такое запутывание на большом расстоянии», — сказал Сринивасан.

Источник информации: https://phys.org/news/2019-02-entangling-photons.html#jCp

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...