Удивительная сверхзапутанность

Открытие сделано в области такого явления, как квантовая запутанность, то есть когда между частицами света — фотонами — создают взаимосвязь, при которой они ведут себя как единое целое. Как говорят физики, их состояния нефакторизуемы, и это означает, что фотоны нельзя разделить на независимые частицы.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Если одна частица меняет свое состояние, то другая частица мгновенно будет «знать» об этом независимо от расстояния между ними. Это позволяет осуществлять так называемую квантовую телепортацию и уже сейчас применимо в области квантовой информации, квантовой криптографии, и на основе этого явления создают квантовый компьютер.

Имеющиеся источники генерации квантово-запутанных частиц имеют недостатки, один из них — квантовая декогеренция, то есть снижение взаимозависимости запутанных частиц при взаимодействии с окружающей средой. Поэтому ученые ищут еще более мощные источники для создания квантовой запутанности.

Раньше считалось, что для создания и объяснения квантовой запутанности фотонов можно использовать частицы монохроматического света, то есть света, содержащего волны только одной частоты (длины). Такое излучение могут создавать, например, лазеры. Один из таких методов получения квантовой запутанности фотонов — это спонтанно-параметрическое рассеяние света, то есть когда лазерный луч пропускают через нелинейный кристалл и происходит преобразование одного фотона в пару квантово-запутанных фотонов. Второй хорошо известный метод получения запутанных квантов — использование светоделителя, где падающие фотоны на светоделитель запутываются в нем и на выходе получаются запутанные фотоны.

Ученые САФУ развили квантовую теорию взаимодействия двухмодового электромагнитного поля со свободными электронами и показали, что возможна квантовая запутанность фотонов, из которых состоит электромагнитное поле.

На первом этапе исследований ученые показали существование квантовой запутанности для монохроматических фотонов, но впоследствии эту теорию развили с источниками немонохроматического света. Немонохроматическое излучение — это излучение фотонов не одной заданной частоты, а с частотой вблизи некоторого среднего значения, и ширина этого отклонения от среднего называется спектральной шириной.

В итоге оказалось, что квантовая запутанность для монохроматических и немонохроматических фотонов может сильно отличаться, причем в случае немонохроматических она может быть заметно больше, что можно использовать в квантовых технологиях.

Таким образом, ученые САФУ расширили список источников квантовых запутанностей и способов их получения. Результаты исследования опубликованы в «Журнале Американского оптического общества» в 2025 году (том 42, выпуск 1, с. 189–193). Авторы исследования — сотрудники кафедры фундаментальной и прикладной физики САФУ: Дмитрий Макаров, Ксения Макарова, Сергей Капустин, Андрей Гошев, Юлиана Цыкарева.

Исходя из теории ученых САФУ, квантовая запутанность монохроматических фотонов появляется, когда две моды электромагнитного поля при взаимодействии со свободным электроном обмениваются фотонами, сохраняя их общее количество, что приводит к изменению квантовых состояний каждой моды и, как следствие, появлению квантового запутывания. В случае немонохроматических фотонов применимы те же аргументы, что и в случае с монохроматическими. С единственной разницей, что необходимо учитывать спектральную ширину таких фотонов.

Ученые сравнили степень квантовой запутанности при использовании монохроматического и немонохроматического света. Для расчета они использовали параметр — энтропию фон Неймана — как одну из хорошо известных мер квантовой запутанности. Расчеты показали, что величина квантовой запутанности немонохроматических фотонов может быть значительно больше, чем у монохроматических.

Ученые отметили, что запутанностью довольно легко манипулировать, изменяя параметры дисперсии и разности частот. Это может быть сделано, например, путем изменения поляризации между двумя модами электромагнитного поля.

Как подчеркнули физики, для создания квантовой запутанности фотонов на основе взаимодействия со свободными электронами необходима платформа. Она должна быть основана на некотором объеме пространства, где сосредоточены две моды электромагнитного поля, взаимодействующие со свободными электронами. Другими словами, платформа должна быть похожа на двухмодовый светоделитель, где вместо светоделителя должны быть свободные электроны.

Кроме того, такая платформа может быть реализована с использованием кремниево-фотонного устройства, интегрированного в электронный микроскоп для достижения эффективной электрон-фотонной связи. Общая концепция таких платформ может быть реализована путем взаимодействия электронов с различными системами: фотонные кристаллические резонаторы, кремниевые фотонные волноводы и т. д.

В ходе расчетов ученые рассмотрели взаимодействие света только с одним электроном. Изучение взаимодействия фотонов с многоэлектронной системой является сложной задачей и оставлено для дальнейшего изучения.

Дмитрий Макаров, заведующий лабораторией диагностики углеродных материалов и спиново-оптических явлений в широкозонных полупроводниках, профессор кафедры фундаментальной и прикладной физики Высшей школы естественных наук и технологий Северного (Арктического) федерального университета имени Ломоносова, поговорил с «Ъ-Наукой»:

— В квантовом мире каждой частице соответствует свое квантовое состояние, но есть частицы, у которых одно квантовое состояние на двоих, троих и т. д. Такие частицы, как говорят физики, «запутаны» (или «перепутаны»), то есть их состояния невозможно разделить по отдельности и они ведут себя как одна частица. Такие запутанные частицы, даже если находятся они за миллионы километров друг от друга, все равно ведут себя как одна частица. Квантовая запутанность — это явление, аналога которому нет в классической физике, то есть в нашем привычном мире. Квантовую запутанность можно представить на классическом примере по-разному, например, если два человека держатся за руки и смотрят друг на друга, то независимо от расстояния между ними они все так же будут держаться за руки и смотреть друг на друга, то есть их состояние будет одним и тем же.

В современных технологиях квантовую запутанность уже используют во многих прикладных областях: квантовая криптография, квантовая метрология и много еще чего и, конечно же, квантовый компьютер. Одной из основных проблем использования в технологиях квантовой запутанности — это квантовая декогеренция, то есть когда запутанность пропадает между частицами. Эту проблему пытаются решить различными способами, одна из которых — это создание большой квантовой запутанности, которую сложнее разрушить.

В нашей работе мы показали, что большой квантовой запутанностью могут обладать фотоны, которые взаимодействуют со свободными электронами. Фотоны — это частицы электромагнитного поля, и в лазерах такие фотоны обладают практически одной частотой, то есть, как говорят, они монохроматические. В реальности фотоны не могут обладать одной частотой, и они являются немонохроматическими.

Это связано с тем, что существует принцип неопределенности Гейзенберга, который утверждает, что чем более монохроматический фотон мы хотим получить, тем дольше должен происходить физический процесс, который порождает этот фотон, а поскольку наблюдаемые нами физические процессы ограничены по времени, то и фотон не может быть монохроматическим. Лазер не является хорошим кандидатом для создания запутанных фотонов, поскольку лазерное излучение является классическим. В итоге мы учли степень немонохроматичности фотонов при их взаимодействии со свободными электронами, и результат нас удивил. Оказалось, что квантовая запутанность очень сильно зависит от немонохроматичности фотонов, достигает своего максимально возможного значения и намного более стабильная.

Это исследование можно использовать во многих областях квантовых технологий, поскольку фотоны являются одними из основных частиц, которые можно передавать на большие расстояния, манипулировать ими, а также они обладают максимально возможной скоростью — скоростью света. Например, недавно был продемонстрирован квантовый компьютер на фотонах, который за 25,6 микросекунды выполнил одну задачу, на которую у лучших суперкомпьютеров мира ушли бы в триллионы триллионов раз больше, чем возраст Вселенной.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки