Фотоны из разных квантово-запутанных пар смогли «обменяться» орбитальным угловым моментом

Y. Zhang et al./ Nature Communications, 2017

В своей новой работе физики из Южной Африки смогли связать орбитальные угловые моменты для фотонов из двух разных квантово-запутанных пар. Раньше подобный «обмен» удавалось совершать лишь для кубитов, которые имеют только два состояния, сейчас же впервые удалось провести эту процедуру для «многоразмерного» свойства фотона, которое имеет больше двух возможных значений. В будущем такие системы смогут использоваться, например, для защищенной квантовой связи. Работа опубликована в Nature Communications.

Квантовая запутанность — взаимосвязанность квантовых состояний в системе из двух или нескольких фотонов. Если в такой системе меняется состояние одного из фотонов, то это автоматически приводит к изменению состояния остальных. Что интересно, запутанность квантовых состояний фотонов не зависит от расстояния между ними, что предложили использовать для квантовой телепортации — моментальной передачи информации на большое расстояние.

Конкретное расстояние, на которое может передаваться информация при квантовой телепортации, напрямую зависит от расстояния, на которое можно разнести два фотона, не теряя запутанности их состояния. Один из предложенных способов избежать «распутывания» — использование квантового повторителя. Механизм работы повторителя предполагает, что между источником и получателем сигнала есть промежуточный элемент, который связывает состояния двух квантово-запутанных пар.

В повторителе есть один фотон, который квантово запутан с фотоном на источнике сигнала, и другой фотон, который квантово запутан с фотоном на получателе сигнала, что позволяет связать между собой фотоны из разных пар. Пока не было предложено способа получить такой квантовый повторитель, но описать механизмы «обмена» фотонами (entanglement swapping) между двумя квантово-запутанными парами кубитов уже удавалось.

В своей новой работе ученые из Южной Африки изучили процесс «обмена» орбитальным угловым моментом между двумя парами запутанных фотонов. В отличие от кубитов, для которых количество возможных состояний равно двум, «обмен» орбитальным угловым моментом позволяет передавать при квантовой телепортации значительно больше информации, так как число возможных значений значительно больше.

Сначала с помощью метода спонтанного параметрического рассеяния в двух кристаллических пленках бората бария физики генерировали две пары запутанных фотонов A-B и C-D с длиной волны 404 нанометра. После этого фотоны B и C отделялись от своих пар и за счет интерференции Хонга-У-Мандела связывали друг с другом запутанность своего углового момента. На выходе ученые измеряли квантовые состояния фотонов A и D и сравнивали их друг с другом.

В своей работе ученые рассматривали только четыре возможных значения орбитального момента фотона (хотя их может быть и больше), таким образом для системы из четырех фотонов могло быть 256 возможных состояний. В среднем для всех наборов рассмотренных угловых моментов согласованность запутанных состояний фотонов A и D составила около 70 процентов. По словам ученых, такой результат однозначно свидетельствует о возможности использовать предложенный метод для получения пространственно разделенных квантово-запутанных состояний для угловых моментов фотонов, которые изначально запутаны не были.

Предложенный учеными механизм «обмена» квантово-запутанными фотономами для синхронизации их орбитального углового момента значительно приближает создание квантового повторителя. Это сможет существенно увеличить максимальное расстояние квантовой телепортации, которое сейчас для классических квантово-запутанных кубитов составляет 1400 километров.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.