Исследователи из Института науки о свете им. Макса Планка (MPL) сообщают о разработанном ими инновационном методе, позволяющем переплетать оптические фотоны (частицы света) с фононами (квазичастицами, представляющими звуковые волны). По их прогнозам, это достижение открывает новые перспективы для разработки гибридных систем в области коммуникации и квантовых вычислений, отмечая потенциальный поворотный момент в том, как мы могли бы манипулировать и использовать квантовую информацию.
Поясняя свое открытие, исследователи MPL указывают, что квантовая запутанность, эта странная связь, которая позволяет частицам оставаться связанными независимо от расстояний, разделяющих их, традиционно создавалась между частицами одинаковой природы, такими как фотоны с фотонами. Для широкого спектра новых квантовых технологий, таких как безопасная квантовая связь и квантовые вычисления, квантовая запутанность является необходимым условием, поскольку она может привести к безопасной квантовой связи и высокоразмерным квантовым вычислениям. Так как фотоны, кванты света, могут распространяться чрезвычайно быстро, неся при этом квантовую информацию, запутывание пар фотонов с помощью нелинейной оптики является общепринятой процедурой.
Запутанность исторически вызывала восхищение на многих уровнях, поскольку она тесно связана с нашим пониманием фундаментальных законов природы. Эйнштейн назвал это "пугающим действием на расстоянии". Квантовые корреляции между частицами могут сохраняться, даже если они разделены большими расстояниями. На практическом уровне квантовая запутанность лежит в основе многих новых квантовых технологий. В оптической области запутанность фотонов имеет фундаментальное значение для обеспечения безопасности методов квантовой связи или схем квантовых вычислений.
Ученые из MPL недавно занялись проблемой установления связи между очень разными объектами, такими как распространяющиеся звуковые волны, фононы и оптические фотоны. Предлагаемая инновация MPL открывает возможность переплетения принципиально разных типов частиц, что может изменить квантовые информационные технологии. В этом контексте ученые MPL продемонстрировали особенно эффективный способ, с помощью которого фотоны могут быть связаны с акустическими фононами. Исследователи смогли показать, что эта запутанность устойчива к внешним помехам, на сегодняшний день она является обычной ловушкой для любой квантовой технологии. Недавно они опубликовали результаты своего исследования в журнале "Physical Review Letters".
Процесс, предложенный командой MPL, основан на рассеянии Бриллюэна, явлении, при котором фотоны взаимодействуют с колебаниями атомов или молекул в материале, генерируя фононы. Схема оптико-акустической связи, основанной на рассеянии Бриллюэна, отличается особой устойчивостью, подходит для интеграции в схемы квантовой обработки сигналов и может быть реализована при высоких температурах окружающей среды. Это взаимодействие приводит к изменению частоты света, которая изменяется в зависимости от движения фононов.
В отличие от классических оптомеханических систем, предложенный учеными MPL метод предлагает новый способ соединения света и звука на фундаментальном уровне, позволяющий создавать стабильные чередующиеся пары, менее чувствительные к колебаниям температуры.
Как указывают исследователи MPL, чередование фотонов и фононов имеет несколько значительных преимуществ. С одной стороны, оно устойчиво и подходит для работы при температурах, намного превышающих те, которые требуются традиционными методами, что снижает зависимость от дорогостоящего и сложного оборудования, такого как холодильники для разбавления. С другой стороны, этот гибридный подход открывает двери для возможностей в различных областях: от безопасной квантовой связи до вычислений, квантовой метрологии и квантовой телепортации. По сообщению ученых MPL, возможности этого нового метода манипулировать и контролировать взаимодействия между светом и звуком на квантовом уровне могут революционизировать наше понимание и использование квантовых свойств материалов. В частности, это может значительно повысить нашу способность хранить, обрабатывать и передавать информацию более эффективным и безопасным способом.
