Симметричность наноантенны «защитила» запутанную фотонную пару

Физики из Австрии, Австралии и Испании впервые построили наноантенну, которая сохраняет запутанность фотонных пар, хотя ее размер меньше длины волны фотонов. Для этого ученые воспользовались симметрией системы, которая «защищает» одно из квантовых состояний, не разрешая ему «перемешиваться» с другими состояниями. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

Для работы квантовых компьютеров нужно не только выполнять вычисления и сохранять их результаты, но и передавать квантовую информацию между частями системы или на другие квантовые компьютеры. Например, это можно делать с помощью запутанных фотонов — они могут взаимодействовать практически со всеми видами систем, которые используются для квантовых вычислений, и к тому же для них практически не нужно менять существующую инфраструктуру (запутанные фотоны легко можно передать по оптоволокну). Более того, недавно были предложены квантовые компьютеры, которые используют для вычислений запутанные фотоны. Поэтому для физиков очень важно научиться передавать фотоны, сохраняя их запутанность.

К сожалению, квантовая фотоника страдает от тех же проблем, что и обычная. Во-первых, для надежной передачи фотоны должны достаточно слабо взаимодействовать с веществом, чтобы можно было пренебречь нелинейными процессами, которые «размазывают» сигнал. Во-вторых, размеры приборов должны быть много больше длины волны фотонов (порядка 500 нанометров для оптического излучения). В принципе, эти препятствия можно преодолеть с помощью плазмонных наноустройств, которые сильно взаимодействуют с фотонами в небольшом объеме, сравнимом с его длиной волны. Плазмоны — это квазичастицы, которые представляют собой колебания электронного газа вблизи поверхности прибора.

С помощью таких приборов можно изменять частоту и амплитуду электромагнитного излучения, фокусировать волны и отсеивать моды с нужным значением углового момента. Более того, плазмонные устройства можно использовать для работы с запутанными фотонами — в частности, недавно физики построили плазмонный интерферометр Хонга — У — Мандела и разделили с его помощью фотонные пучки, сохраняя их запутанность. Также похожие процессы наблюдались в массивах наноантенн. К сожалению, размеры всех таких устройств во много превышали длину волны фотонов. Поэтому до последнего времени физики не знали, можно ли уменьшить размеры плазмонных устройств, сохраняя запутанность фотонов.

Группа ученых под руководством Габриэля Молина-Терриза (Gabriel Molina-Terriza) впервые построила устройство, в котором пара фотонов с длиной волны λ проходит сквозь наноструктуру объемом порядка V ~ 0,2λ³, сохраняя свою запутанность. Для этого ученые использовали законы сохранения, которые следуют из симметрии гамильтониана системы. Гамильтониан — это оператор, который определяет энергию системы, в том числе энергию движения фотонов и потенциал их взаимодействия с наноструктурой. Например, из инвариантности гамильтониана относительно трансляций (сдвигов в пространстве) следует закон сохранения импульса, а из неизменности относительно поворотов — закон сохранения момента импульса. Следовательно, если наноструктура обладает какой-либо симметрией, определенные параметры запутанных фотонов будут сохраняться даже в том случае, если размеры системы меньше длины волны фотонов, а интенсивность взаимодействия велика.

Чтобы изготовить подобную наноструктуру, физики просверлили в металлическом листе круглое отверстие диаметром около 750 нанометров. Такая система симметрична относительно поворотов, а потому сохраняет угловой момент фотонов, хотя может изменить их спиральность. В частности, электромагнитные волны с нулевым угловым моментом переходят сами в себя, когда рассеиваются на круглой наноантенне. Из двух фотонов можно построить три таких состояния. Кроме того, круглая наноантенна симметрична относительно зеркальных отражений, и это накладывает дополнительные ограничения на амплитуды, описывающие преобразования волновых функций. Из трех состояний с нулевым угловым моментом два симметричны относительно зеркальных отражений (то есть знак их волновой функции не изменяется), а одно — антисимметрично (меняет знак). Таким образом, последнее состояние не может превратиться в другие два независимо от силы взаимодействия с наноантенной или ее размеров — получается, будто оно «защищено» симметрией системы.

Чтобы доказать, что наноантенна действительно сохраняет запутанность, исследователи просвечивали ее парами запутанных фотонов, которые рождались при спонтанном параметрическом рассеянии инфракрасного излучения (λ ≈ 809 нанометров). Перед тем, как направить фотоны на отверстие, физики пропускали их через «q-пластинку», которая отбирала пары с нулевым угловым моментом, и регулировали симметричность пар с помощью поляризационной пластинки в половину длины волны. Затем ученые фокусировали пучки фотонов с помощью микроскопы и измеряли их «верность» (fidelity), — параметр, который определяет степень совпадения квантовых состояний. Для сравнения физики выполняли подобные измерения для фотонов, проходящих через кусок прозрачного стекла (которое практически не изменяет их квантовое состояние).

В результате ученые обнаружили, что «верность» фотонных пар, проходящих сквозь стекло, составляет чуть больше f ≈ 0,6 как для симметричных, так и для антисимметричных волновых функций. Вообще говоря, это не очень хороший результат; авторы статьи считают, что когерентность состояний теряется из-за несовершенства фотонных детекторов. Тем не менее, значение f > 0,5 говорит о запутанности фотонных пар. С другой стороны, при пропускании фотонов сквозь круглое отверстие картина менялась: в этом случае «верность» была примерно равна f ≈ 0,52 для антисимметричных состояний и f ≈ 0,27 для симметричных. Это значит, что антисимметричные запутанные состояния действительно «защищены» симметрией системы, тогда как симметричные состояния разрушаются.

В настоящее время физики усердно работают над проблемой передачи запутанных состояний и почти каждый месяц устанавливают в этой области новые рекорды. Например, в сентябре 2017 года физики из Университета Штутгарта впервые получили запутанные фотоны в телекоммуникационном диапазоне — наиболее энергетически эффективном диапазоне, который широко используется в оптоволоконной связи. В октябре китайские ученые поставили рекорд передачи квантовой запутанности по оптоволоконной связи, синхронизировав между собой квантовые системы, удаленные на 103 километра. Впрочем, последний рекорд дальности принадлежит другой группе китайских исследователей, передавших в июле 2017 запутанные фотоны на расстояние более 1400 километров. Кроме того, в июне 2018 физики из Нидерландов построили первую квантовую сеть, в которой скорость передачи запутанных состояний между кубитами превышает скорость их разрушения. А в июле австрийские физики заставили квантовую точку излучать запутанные фотоны с рекордным значением «верности» f ≈ 0,98, не прибегая к постобработке сигнала.

Более того, несмотря на свои недостатки, квантовая связь уже используется на практике. В частности, с июня 2016 года в Москве работает первая в России линия квантовой связи длиной более 30 километров, которая соединяет два отделения «Газпромбанка». Подробно про работу этой линии можно прочитать в материале «Выдергиваете и сжигаете».

Дмитрий Трунин