В ИТМО нашли способ делать компактные генераторы для квантовой связи

Учёные из Университета ИТМО разработали методику, которая позволит в десятки раз увеличить выход запутанных фотонов в системах по их генерации. Сейчас их получение происходит с большими техническими трудностями и служит крупным препятствием на пути создания практически пригодных квантовых компьютеров и систем квантовой связи. Соответствующая статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Запутанные фотоны — ключевые носители информации в квантовой передаче данных и квантовых компьютерах. Под запутанностью имеют в виду явление квантового мира, когда фотоны из одной пары находятся в одном квантовом состоянии. Причём если изменить состояние одного запутанного фотона, то же самое произойдёт и с другим, вне зависимости от расстояния, которое будет их разделять.

Главная проблема работы с такими парами запутанных частиц — то, что "делать" их очень сложно технически. Сейчас такие пары "рождаются", когда один фотон распадается на два (или три) фотона с меньшей энергией. При этом на миллиард используемых фотонов приходится только одна пара запутанных частиц. А установки, которые генерируют даже такое небольшое их число, занимают целые комнаты. Можно сделать их и меньше, но тогда потребуется поддерживать внутри них очень низкие температуры. Для этого придётся использовать жидкие газы, а это дорого и непрактично. 

Физики, среди которых были исследователи из Университета ИТМО, предложили метод создания более производительных и компактных устройств для генерации запутанных фотонов. В его рамках их получают не напрямую при распаде фотона с большей энергией, а с помощью посредника — запутанных плазмонов. Для этого используется решётка с равными промежутками между формирующими её компонентами в несколько нанометров. В ней нанослои металла чередуются с нанослоями диэлектрика. Такой материал, создаваемый искусственно и с заранее заданными параметрами, называют метаматериалом. Когда свет проходит через решётку, фотоны, из которых он состоит, распадаются на пары запутанных плазмонов.

Плазмоном называют квазичастицу, появляющуюся на стыке металла и диэлектрика (например, воздуха) при взаимодействии фотонов и электронов металлов. Внешне это взаимодействие проявляется в виде металлического блеска. Волна, состоящая из плазмонов, возбуждается на границе металла и диэлектрика, когда на них попадает пучок света. При этом между ними возникает настолько плотное электрическое поле, что процессы, идущие там на уровне частиц, ускоряются в десятки раз. Это поле способствует генерации сразу большого числа запутанных частиц, плазмонов, которые несложно снова превратить в фотоны, уже гораздо более многочисленные, чем "на входе" в решетку.

За счёт использования нового подхода можно многократно увеличить выход запутанных фотонов и при этом сделать устройство для их получения размером с микросхему без дорогого и сложного охлаждения жидкими газами. Исследователи разработали методику вычислений для проектирования широкого спектра устройств такого рода — от систем для генерации двух или трёх запутанных фотонов до приборов, где происходит слияние нескольких фотонов в один. По их расчётам, метаматериалы способны обеспечить высокую эффективность распада одиночных фотонов на пары запутанных — до 70 процентов.

Учёные предлагают совместить лазеры для генерации исходных фотонов и метаматериалы-решётки в рамках одной оптической микросхемы. Такие устройства потенциально могут быть весьма компактными и работать при обычных температурах. Предполагается, что это значительно продвинет вперёд технически как квантовую связь, так и квантовые компьютеры.