Фотоны из разных квантово-запутанных пар смогли «обменяться» орбитальным угловым моментом
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
Для этого физики косо сталкивали восемь плазменных струй
Британские и американские физики создали лабораторный аналог аккреционного диска, который возникает в космосе при падении газа на массивные объекты, например, черные дыры. В новом опыте, в отличие от предыдущих исследований, отсутствовали какие-либо стенки или ограничения для потоков — их закручивание происходило за счет нецентрального столкновения восьми плазменных струй. Плазменное кольцо продемонстрировало стабильность, что позволит в будущем исследовать роль магнитного поля в аккреции вещества. Исследование опубликовано в Physical Review Letters. Аккреционные потоки газа вокруг массивных тел встречаются во Вселенной довольно часто. Свет, испускаемый аккреционным диском, может свидетельствовать в том числе и о существовании черной дыры. Поведение газа, падающего на черную дыру, вызывает у исследователей множество вопросов, ответы на которые они добывают преимущественно теоретически. Лабораторные попытки понять физику аккреционного диска тоже существуют. Для этого физики создают потоки водно-глицериновых растворов или металлических расплавов в магнитном поле. Другой способ основан на подаче электрического тока на края холловской плазмы, удерживаемой постоянными магнитами. Недостатком всех этих методов остается наличие жестких границ, которые отсутствуют в космических процессах и искажают моделирование. Группа физиков под руководством Сергея Лебедева (Sergei Lebedev) из Имперского колледжа Лондона вместе с коллегами из США провели эксперимент, лишенный этого недостатка. Он заключался в косом сталкивании восьми плазменных струй, которые закручивались в кольцо. Их движение при этом напоминало движение вещества в аккреционном диске массивного тела. В эксперименте также образовывались характерные плазменные струи, перпендикулярные плоскости вращения. Установка физиков состояла из алюминиевых проволок толщиной 40 микрометров, расположенных в серединах ребер правильного восьмиугольника. Ученые пропускали через них импульсы большого тока (до 1,4 мегаампера на пике), что приводило к нагреву и абляции вещества. Магнитные поля формировали абляционные потоки и направляли их в середину установки, слегка отклоняя от центра. Столкновение потоков вещества формировало его в кольцо диаметром шесть миллиметров. Оно существовало не более 210 наносекунд, за время которого плазма делала от половины до двух оборотов. Физики следили за ее образованием и развитием в оптическом и экстремально-ультрафиолетовом диапазоне, что позволило исследовать распределение скоростей. Изображения показали, что плазменное кольцо стабильно в течение срока жизни, а само вращение происходит в квазикеплеровском режиме. Авторы также наблюдали плазменную струю, порожденную из вращающегося плазменного столба осевыми градиентами теплового и магнитного давления. Скорость вещества в ней составила 100±20 километров в секунду. Малый угол расходимости — 3±1 градус — свидетельствовал об отсутствии эффектов нестабильности. Струю также окружал плазменный ореол. В будущем авторы планируют продлить время жизни кольца за счет более долгих абляционных импульсов, для чего им потребуется использовать более толстые проволоки. Они убеждены, что замена алюминия на другие материалы позволит контролировать различные параметры магнитнодинамического потока. В будущем это позволит в лаборатории приблизиться к условиям, возникающим в астрофизических процессах, и понять роль нестабильности магнитных полей в аккреции вещества. Аккреционный диск — это не единственное явление, связанное с черными дырами, которое физики пытаются воспроизвести в лабораторных экспериментах. Ранее мы рассказывали, как течение воды в сливе раковины помогает изучать квазисвязанные состояния черных дыр, и как в конденсате Бозе — Эйнштейна подтвердили тепловой спектр излучения Хокинга.