RW Space

Запутывание — один из лучших трюков в волшебном ящике квантовой физики: две частицы, которые при измерении неразрывно связаны друг с другом, — ключевой компонент потенциальных достижений в области вычислений, связи и сенсорных технологий.

Учёные имеют множество методов создания запутанных частиц, часто с использованием лёгких частиц (фотонов). Стандартный способ запутывания фотонов — направить высокоэнергетический лазер на кристалл специальной формы.

Это надежный и хорошо зарекомендовавший себя метод, требующий энергии и, конечно же, доступа к современному лазеру.

Теперь исследователи из Университета Оттавы в Канаде и Института науки о свете Макса Планка в Германии сделали то, что некоторые считали невозможным: создали запутанные фотоны из солнечного света.

Опубликуя свою работу в Optica, команда заявляет, что эта инновация может привести к тому, что технология запутанности будет дешевле и проще в развертывании в «средах с ограниченными ресурсами», от удаленных исследовательских станций до спутников на орбите.

«Наша работа показывает, что для квантовой запутанности можно использовать многочисленные источники естественного света, открывая возможность более энергоэффективных и доступных квантовых технологий. технологий», — говорит физик Ченг Ли из Университета Оттавы.

Исследователей воодушевили более ранние эксперименты, показавшие, что запутанные фотоны могут создаваться светодиодным светом, что позволяет предположить, что некогерентный свет — свет без синхронности и однородности лазеров — потенциально может вызвать этот процесс.

«Некоторые всемирно известные исследователи в этой области даже сомневались, возможно ли это».

– Физик Ченг Ли

Экспериментальная установка включала линзу Френеля размером с окно и воронку, которая концентрировала собранный солнечный свет в оптическое волокно шириной с человеческий волос.

Затем сфокусированный свет направлялся на кристалл, чтобы создать фактическое запутывание.

Чтобы решить проблему некогерентных (или «беспорядочных») характеристик солнечного света, включая его направление и длину волны, команда сосредоточилась на его поляризации: ориентации его колеблющегося электромагнитного поля.

Запутывая именно эту характеристику, устройство обеспечивало окружающую среду беспорядочность света принципиально не предотвращала поляризационное запутывание.

«Мы спроектировали нашу экспериментальную установку так, чтобы различия, вносимые разными цветами и направлениями распространения, не влияли на поляризацию фотонов», — говорит Ли.

«Как предсказывает наша теория, если запутывание существует только в поляризации, то оно должно зависеть только от упорядоченности насоса в направлении его колебаний, а не от его направления или цвета».

«Это позволило нам получить результат. высококачественная поляризационная запутанность от очень пространственно и временно некогерентного солнечного света.»

Запутанные фотоны, созданные командой, прошли несколько важных тестов квантовой физики.

Частицы были примерно на 94 процента похожи на идеально запутанное состояние и нарушали неравенство Белла – стандартный признак того, что их корреляции не могут быть объяснены классической физикой.

После того как запутанные фотоны созданы, они могут сохранять свою внутреннюю связь, даже если их разделяют огромные расстояния. В принципе, это может означать, например, соединение гигантских телескопов или передачу сообщений, которые невозможно перехватить.

«Эта технология однажды позволит спутникам создавать безопасные ключи шифрования, используя солнечный свет, которого уже много в космосе, что снизит потребность во бортовых лазерах и большей части вспомогательного оборудования», — говорит Ли.

«Генерация запутанности, управляемая солнечным светом, также может стать важнейшим ингредиентом, необходимым для масштабирования квантовых вычислений без увеличения энергетической нагрузки».

Исследователи называют это «демонстрацией принципа действия»: у нас пока нет полностью работающего квантового запутанного устройства, работающего на солнечном свете, которое можно было бы отправлять по всему миру или использовать в других технологиях.

Однако это многообещающий прорыв, поскольку это совершенно новый вид источника накачки для запутывания фотонов. По словам исследователей, качество запутанности можно еще улучшить, как и яркость – по сути, скорость образования запутанных фотонов.

По теме: Возможно, у нас уже есть первые намеки на квантовую гравитацию – скрытые на виду

Это также еще одно свидетельство того, насколько важной может быть настойчивость, когда дело доходит до науки в квантовой сфере. Большие шаги вперед часто можно теоретизировать задолго до того, как появятся практические доказательства.

«Некоторые всемирно известные исследователи в этой области даже задавались вопросом, можно ли будет обнаружить какие-либо фотоны, не говоря уже о запутанных фотонах, в результате нелинейных оптических процессов, вызванных солнечным светом», — говорит Ли.

«Мы доверяли нашим расчетам, продолжали совершенствовать экспериментальную установку и в конечном итоге показали, что это возможно».

Исследование было опубликовано в журнале Оптика.