Физики еще сильнее запутали фотоны

Австрийские физики заставили квантовую точку излучать запутанные фотоны с рекордным значением «верности» f ≈ 0,98, не прибегая к постобработке сигнала. Для этого ученые скомпенсировали тонкое расщепление энергетических уровней точки с помощью пьезоэлектрического актуатора. Работа исследователей позволит улучшить линии квантовой связи, заменив источники запутанных фотонов на основе параметрического рассеяния на квантовые точки. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Для создания надежной и быстрой квантовой связи необходимо генерировать запутанные фотоны с высокой частотой и большим значением «верности» (fidelity), которая показывает, насколько сильно связаны между собой квантовые состояния частиц. Для случайно выбранных состояний этот параметр равен нулю, а для запутанных фотонов, квантовые состояния которых совпадают, «верность» в точности равна единице. Пересылая такие фотоны между двумя квантовыми системами, можно синхронизировать их состояния, то есть «запутать» системы на противоположных концах линии связи. Подробнее про принципы работы квантовой связи можно прочитать в новости «Скорость передачи запутанных состояний впервые превысила скорость их разрушения», а также в материалах «Квантовая азбука: „Телепортация“» и «Квантовая связь без лишнего шума». Несмотря на то, что эта технология пока еще далека от совершенства, она уже используется на практике — например, в 2016 году в Москве запустили линию квантовой связи, по которой передаются ключи шифрования между двумя офисами «Газпромбанка».

В настоящее время физики умеют генерировать запутанные фотоны с высокой степенью «верности» (f > 0,99), используя параметрическое рассеяние (parametric-down-conversion, PDC). В ходе этого процесса фотон с известной энергией и импульсом, попавший в нелинейную среду, распадется на два фотона, параметры которых связаны благодаря законам сохранения энергии и импульса. К сожалению, PDC неудобно использовать для квантовой связи, поскольку запутанные фотоны в нем рождаются совершенно случайно — невозможно предсказать, когда именно исходная частица распадется на запутанную пару, а потому управлять передачей информации сложно. Возможным решением этой проблемы могут быть квантовые точки — области полупроводника, в которых «зажаты» носители заряда (квазичастицы электроны и дырки). Заставить такие области излучать запутанные фотоны довольно просто, достаточно приложить к ним электрический ток, который запустит биэкситон-экситонный каскад (различные методы генерации запутанных фотонов с помощью квантовых точек приведены в подробном обзоре от авторов новой статьи).

К сожалению, «верность» излучаемых квантовой точкой фотонов далека от идеальной. Основное препятствие, которое мешает получать запутанные фотоны — тонкое расщепление энергетических уровней квантовой точки. Строго говоря, это расщепление не является источником декогеренции само по себе, однако оно заставляет запутанные состояния эволюционировать со временем и сдвигает их относительную фазу. В результате усредненная по времени «верность» зависит от отношения временно́го разрешения установки и времени жизни экситона. Конечно, увеличить корреляцию между запутанными фотонами можно с помощью постобработки — намеренно отбирать пары, «верность» которых превышает определенное значение, а остальные фотоны отбраковывать. Тем не менее, такой отбор снижает частоту генерации, которая является критической для квантовой связи.

Группа ученых под руководством Даниэля Хубера (Daniel Huber) предложила способ, с помощью которого можно бороться с этой проблемой, не прибегая к постобработке, и заставила квантовые точки генерировать запутанные фотоны с «верностью» f ≈ 0,98 ± 0,01. Для этого физики поместили галлий-арсенидную (GaAs) квантовую точку на пьезоэлектрический актуатор, который прикладывал к ней механическое напряжение и модифицировал потенциал, связывающий носители заряда. Рабочая область прибора была разделена на три части («ноги»), в которых точка растягивалась и сжималась в различных направлениях. В результате величина тонкого расщепления уменьшалась, падая при определенных значениях практически до нуля (ΔE ≈ 0,1 ± 0,2 микроэлектронвольт) — для этого исследователи прикладывали напряжение около 100 вольт на вторую «ногу» и около 150 вольт на первую «ногу».

Добившись нулевой величины тонкого расщепления, ученые измерили степень запутанности излучаемых точкой фотонов, построив матрицу плотности их состояний и рассчитав их взаимную корреляцию стандартным способом. Оказалось, что «верность» фотонов примерно равна f ≈ 0,96 ± 0,01, хотя теоретически она должна достигать единицы. Снижение запутанности происходит из-за запаздывания волн, которые используются для «вырисовывания» матрицы плотности, ложных срабатываний (dark counts) и попадания в детектор фоновых фотонов, которые не имеют никакого отношения к излучению квантовой точки. Вычитая ложные срабатывания и корректируя метод определения матрицы плотности, физикам удалось увеличить «верность» запутанных фотонов до величины f ≈ 0,98 ± 0,01. Это наиболее близкая к единице величина, которая наблюдалась в экспериментах без постобработки. Кроме того, в заключении статьи авторы предлагают еще несколько способов повысить «верность» в проведенном эксперименте вплоть до f ≈ 0,99.

Квантовые точки перспективны не только для квантовой связи, но и для квантовых вычислений — кубитами на основе этой технологии легко управлять с помощью электрического тока, а состоящие из них системы легко масштабировать. Так, в феврале этого года ученые из США и Нидерландов представили первый квантовый процессор, состоящий из двух кубитов на основе квантовых точек, и показали, что с его помощью можно смоделировать простейшие квантовые алгоритмы — например, алгоритмы Дойча-Йожи и Гровера. А в декабре 2017 физики из Австралии и Нидерландов (группы частично пересекаются) предложили интегральную схему для квантового компьютера на основе квантовых точек, которая теоретически может уместить неограниченно много кубитов — надо только следить за температурой схемы, чтобы не дать времени декогеренции системы уменьшиться слишком сильно.

Дмитрий Трунин