Квантовая механика таит в себе множество эффектов, которые трудно осознать человеческому мозгу. Многие явления до сих пор изучены не до конца и не поняты физиками, и новое открытие учёных из университета Ватерлоо в Канаде — одна из таких тайн.

Исследователи сообщили о создании в лаборатории университета Ватерлоо триплетов из запутанных фотонов. Прежде физики говорили исключительно о парах частиц, находящихся в состоянии квантовой запутанности: когда одна из них меняет своё состояние на противоположное, её партнёр мгновенно делает то же самое. Поэтому создание трёх запутанных частиц оказалось довольно трудной задачей.

Эксперимент был описан в статье, опубликованной в журнале Nature Photonics. Учёные генерировали трио фотонов с запутанной поляризацией (вертикальной и горизонтальной ориентации) в количестве 660 триплетов в час.

«Детекторы NIST способны записывать данные в 100 раз быстрее, чем обычные приборы. Эти технологии позволили нам ускорить ход эксперимента настолько, чтобы он был гораздо стабильнее, а качество результатов выше», — говорит ведущий автор исследования Кристер Шалм (Krister Shalm) из Национального института стандартов и технологий США (NIST), работавший на позиции постдока в университете Ватерлоо.

Эксперимент начался с использования «голубого» фотона, который был поляризован вертикально и горизонтально одновременно, то есть находился в состоянии квантовой суперпозиции. Фотон был отправлен через специальный кристалл, который преобразовал его в две красные дочерние частицы света, находящиеся в состоянии квантовой запутанности. Каждая дочерняя частица несла половину первоначальной энергии.

Рис. 1.

Работа всей этой системы была направлена на то, чтобы создавшаяся пара обладала одинаковой поляризацией. Тогда один из дочерних фотонов, направленный через ещё один кристалл, создал бы ещё одну пару вторичных дочерних ближних инфракрасных фотонов, которые по-прежнему были бы в состоянии квантовой запутанности с красным дочерним фотоном.

Достигнув такого эффекта, физики получили триплет из запутанных фотонов с одинаковой поляризацией, либо горизонтальной, либо вертикальной. Каждое такое трио может представлять собой значение «0» или «1» в системе квантовых вычислений или коммуникаций. К тому же, вторичные дочерние фотоны могут обладать длиной волны, пригодной для использования в телекоммуникациях, так что такие частицы могут быть переданы через оптоволокно.

Авторы исследования отмечают в пресс-релизе, что создание запутанных триплетов крайне сложная задача, и эксперимент даёт результат очень редко. Процесс создания трио фотонов, так называемое каскадное понижающее преобразование, на первом этапе удаётся лишь в одном случае на миллиард, а на втором этапе — в одном на миллион.

Рис. 2.

Для измерения поляризации каждого фотона, в свою очередь, требуется определить одну из 27 возможных комбинаций из вертикальных и горизонтальных поляризаций. Для этого физики проводят анализы «снимков» квантовых состояний нескольких тысяч триплетов. С детектированием и измерением квантового состояния отдельных фотонов на телекоммуникационных длинах волн справились только установки NIST.

Чтобы увеличить эффективность детекторов, физики модифицировали свои приборы специально для проведения эксперимента по созданию запутанных триплетов: в сверхпроводящие нанопроволоки однофотонных детекторов включили элементы из силицида вольфрама. Демонстрация успешности эксперимента позволила подтвердить прогнозы квантовой теории: триплеты запутанных фотонов не имели конкретных значений, прежде чем были измерены.

Данная разработка позволит улучшить работу квантовых вычислительных машин, однако прежде чем она дойдёт до стадии практического применения, физикам ещё предстоит преодолеть массу трудностей. Прежде всего, в ближайшее время учёные должны придумать способ повысить эффективность эксперимента и увеличить шанс возникновения трио частиц на каждом этапе каскадного понижающего преобразования.