Для широкого спектра новых квантовых технологий, таких как защищенные квантовые коммуникации и квантовые вычисления, квантовая запутанность является предпосылкой. Ученые из Института науки о свете Макса Планка (MPL) продемонстрировали особенно эффективный способ, с помощью которого фотоны могут быть запутаны с акустическими фононами.
Исследователи смогли продемонстрировать, что эта запутанность устойчива к внешнему шуму, что является обычной ловушкой любой квантовой технологии на сегодняшний день. Они опубликовали свое исследование в Physical Review Letters.
Квантовая запутанность — это явление, при котором частицы становятся взаимосвязанными таким образом, что состояние одной из них мгновенно влияет на состояние другой, независимо от расстояния между ними. Запутанность — это важное явление для многих приложений квантовых технологий, поскольку она может привести к безопасным квантовым коммуникациям и высокоразмерным квантовым вычислениям.
Поскольку фотоны, кванты света, могут распространяться чрезвычайно быстро, перенося квантовую информацию, запутывание пар фотонов с помощью нелинейной оптики является устоявшейся процедурой.
Ученые MPL недавно занялись проблемой установления запутанности между очень разными сущностями, такими как бегущие звуковые волны, фононы и оптические фотоны. Предлагаемая схема оптоакустической запутанности основана на рассеянии Бриллюэна. Она особенно устойчива, подходит для интеграции в схемы квантовой обработки сигналов и реализуема при высоких температурах окружающей среды.
Эйнштейн назвал это «жутким действием на расстоянии». Запутанность исторически была интересна на многих различных уровнях, поскольку она тесно связана с нашим пониманием фундаментальных законов природы.
Квантовые корреляции между частицами могут сохраняться даже при большом расстоянии друг от друга. На практическом уровне квантовая запутанность лежит в основе многих новых квантовых технологий. В оптической области запутанность фотонов имеет основополагающее значение для обеспечения безопасности квантовых методов связи или схем квантовых вычислений.
Однако фотоны изменчивы. Поэтому для некоторых приложений ищутся возможные альтернативы, например, квантовая память или схемы квантовых повторителей. Одной из таких альтернатив является акустическая область, где кванты хранятся в акустических или звуковых волнах.
Ученые из MPL теперь указали на особенно эффективный способ, которым фотоны могут быть запутаны с акустическими фононами : в то время как два кванта движутся вдоль тех же самых фотонных структур, фононы движутся с гораздо меньшей скоростью. Основной эффект - оптический нелинейный эффект, известный как рассеяние Бриллюэна-Мандельштама. Он отвечает за связывание квантов в принципиально разных энергетических масштабах.
В своем исследовании ученые показали, что предложенная схема запутывания может работать при температурах в десятки градусов Кельвина. Это намного выше, чем требуется для стандартных подходов, которые часто используют дорогостоящее оборудование, такое как холодильники растворения. Возможность реализации этой концепции в оптических волокнах или фотонных интегральных микросхемах делает этот механизм особенно интересным для использования в современных квантовых технологиях.
