Квантовий прорив: джерело світла виробляє два переплутаних пучки світла

Вчені все частіше прагнуть дізнатися більше про квантову заплутаність, яка виникає, коли дві або більше систем створюються або взаємодіють таким чином, що квантові стани одних не можуть бути описані незалежно від квантових станів інших. Системи корельовані, навіть коли вони розділені великою відстанню. Інтерес до вивчення такого явища зумовлений значним потенціалом для застосувань у шифруванні, комунікації та квантових обчисленнях. Складність полягає в тому, що коли системи взаємодіють з оточенням, вони майже відразу розплутуються.

В останньому дослідженні, проведеному Лабораторією когерентної маніпуляції атомами та світлом (LMCAL) Фізичного інституту Університету Сан-Паулу (IF-USP) у Бразилії, дослідникам вдалося розробити джерело світла, яке створювало два переплутані пучки світла. Стаття про дослідження була нещодавно опублікована в журналі Physical Review Letters.

«Цим джерелом світла був оптичний параметричний осцилятор, або OPO, який зазвичай складається з кристала з нелінійним оптичним відгуком між двома дзеркалами, які утворюють оптичний резонатор. Коли яскраво-зелений промінь світить на апарат, динаміка кристалічного дзеркала виробляє два світлові пучки з квантовими кореляціями», — сказав фізик Ханс Марін Флорез, останній автор статті.

Проблема полягає в тому, що світло, випромінюване OPO на основі кристалів, не може взаємодіяти з іншими системами, що представляють інтерес у контексті квантової інформації, такими як холодні атоми, іони чи чіпи, оскільки його довжина хвилі не така ж, як у відповідних систем. «Наша група показала в попередній роботі, що самі атоми можуть бути використані як середовище замість кристала. Таким чином, ми виготовили перший OPO на основі атомів рубідію, в якому два пучки були інтенсивно квантово корельовані, і отримали джерело, яке могло б взаємодіяти з іншими системами, які могли б служити квантовою пам’яттю, такими як холодні атоми», – сказав Флорез.

Однак цього було недостатньо, щоб показати, що пучки переплуталися. Окрім інтенсивності, для відображення квантових кореляцій також потрібні фази променів, які мають відношення до синхронізації світлових хвиль. 

«Це саме те, чого ми досягли в новому дослідженні, про яке повідомляється в Physical Review Letters,» він сказав. «Ми повторили той самий експеримент, але додали нові кроки виявлення, які дозволили нам виміряти квантові кореляції в амплітудах і фазах генерованих полів. У результаті ми змогли показати, що вони заплуталися. Крім того, техніка виявлення дозволила нам помітити, що структура заплутаності була багатшою, ніж зазвичай характеризується. Замість того, щоб дві суміжні смуги спектра були переплутані, ми фактично створили систему, що складається з чотирьох переплутаних спектральних смуг».

У цьому випадку амплітуди та фази хвиль були переплутані. Це є фундаментальним у багатьох протоколах для обробки та передачі квантово-кодованої інформації. Окрім цих можливих застосувань, цей вид джерела світла також може використовуватися в метрології. «Квантові кореляції інтенсивності призводять до значного зменшення коливань інтенсивності, що може підвищити чутливість оптичних датчиків», — сказав Флорез. «Уявіть вечірку, де всі говорять, і ви не можете почути когось з іншого боку кімнати. Якщо шум достатньо зменшиться, якщо всі перестануть говорити, ви зможете почути, що хтось говорить на достатній відстані».

Підвищення чутливості атомних магнітометрів, які використовуються для вимірювання альфа-хвиль, випромінюваних людським мозком, є одним із потенційних застосувань, додав він.