Исследователи обнаружили новый тип квантовой запутанности

Фото из открытых источников

Исследование Техниона раскрывает недавно обнаруженную форму квантовой запутанности в полном угловом моменте фотонов, заключенных в наномасштабных структурах. Это открытие может сыграть ключевую роль в будущей миниатюризации квантовых коммуникационных и вычислительных компонентов.

Квантовая физика иногда приводит к очень нетрадиционным предсказаниям. Именно это и произошло, когда Альберт Эйнштейн и его коллеги Борис Подольский и Натан Розен (позже основавшие физический факультет Техниона) нашли сценарий, в котором знание состояния одной частицы немедленно влияет на состояние другой частицы, независимо от того, насколько велико расстояние между ними. Их историческая работа 1935 года получила прозвище ЭПР в честь ее трех авторов (Эйнштейн–Подольский–Розен).

Идея о том, что знание состояния одной частицы повлияет на другую частицу, находящуюся на огромном расстоянии от нее, без физического взаимодействия и передачи информации, казалась абсурдной Эйнштейну, который называл это «жутким действием на расстоянии».

Но новаторская работа другого исследователя Техниона, профессора Ашера Переса с факультета физики, показала, что это свойство может быть использовано для передачи информации скрытым способом — квантовой телепортации, которая является основой квантовой коммуникации. Это открытие было сделано профессором Пересом вместе со своими коллегами Чарльзом Беннетом и Жилем Брассаром.

Позднее это явление получило научное название «квантовая запутанность», и за его измерение и последствия, в том числе возможность квантовых вычислений и квантовой коммуникации, Нобелевская премия по физике 2022 года была присуждена профессорам Алену Аспекту и Антону Цайлингеру, ранее получившим почетные докторские степени Техниона, и их коллеге профессору Джону Клаузеру.

Квантовая запутанность была продемонстрирована до сих пор для большого разнообразия частиц и их различных свойств. Для фотонов, частиц света, запутанность может существовать для их направления движения, частоты (цвета) или направления, в котором указывает их электрическое поле. Она также может существовать для свойств, которые сложнее представить, таких как угловой момент.

Это свойство делится на спин, который связан с вращением фотона электрического поля, и орбиту, которая связана с вращательным движением фотона в пространстве. Это интуитивно похоже на Землю, которая вращается вокруг своей оси, а также вращается вокруг Солнца по круговой траектории.

Нам легко представить эти два вращательных свойства как отдельные величины, и действительно, фотоны, связанные в луче света, намного шире их длины волны. Однако, когда мы пытаемся поместить фотоны в структуры, меньшие, чем длина волны фотона — что является задачей области нанофотоники — мы обнаруживаем, что невозможно разделить различные вращательные свойства, и фотон характеризуется одной величиной — полным угловым моментом.

Так зачем нам вообще помещать фотоны в такие маленькие структуры? Для этого есть две основные причины. Одна из них очевидна — это поможет нам миниатюризировать устройства, использующие свет, и, таким образом, втиснуть больше операций в ячейку небольшой площади, подобно миниатюризации электронных схем.

Другая причина еще более важна: эта миниатюризация усиливает взаимодействие между фотоном и материалом, через который фотон проходит (или находится рядом с ним), тем самым позволяя нам создавать явления и использовать их, которые невозможны с фотонами в их «нормальных» размерах.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature, исследователи из Техниона под руководством аспиранта Амита Кама и доктора Шаи Цессеса обнаружили, что возможно запутывание фотонов в наносистемах, размер которых составляет одну тысячную часть размера волоса, но запутывание осуществляется не за счет обычных свойств фотона, таких как спин или траектория, а только за счет полного углового момента.

Исследователи Техниона раскрыли процесс, которому подвергаются фотоны с момента их попадания в наносистему до момента выхода из измерительной системы, и обнаружили, что этот переход обогащает пространство состояний, в которых могут находиться фотоны.

В ходе серии измерений исследователи картировали эти состояния, запутали их с тем же свойством, которое уникально для наносистем, и подтвердили соответствие между парами фотонов, что указывает на квантовую запутанность.

Это первое открытие новой квантовой запутанности за более чем 20 лет, и в будущем оно может привести к разработке новых инструментов для проектирования квантовых коммуникационных и вычислительных компонентов на основе фотонов, а также к их значительной миниатюризации.