Физики построили первый универсальный генератор запутанных фотонов
Китайские физики построили первый генератор запутанных фотонов, который удовлетворяет четырем ключевым критериям: работает только «по требованию», создает фотоны с высокой степенью запутанности, неразличимости и эффективности. До этого ученым удавалось добиться только трех из этих критериев. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Запутанные фотоны — пара частиц, которые находятся в скоррелированных квантовых состояниях, — играют в современной физике очень важную роль. С одной стороны, благодаря запутанным фотонам удалось доказать нелокальность квантовой механики, то есть отсутствие «скрытых параметров», предложенных Альбертом Эйнштейном. С другой стороны, без запутанных пар практически невозможно реализовать квантовую связь и квантовую телепортацию, а также построить квантовые компьютеры, соединенные с квантовым интернетом. Кроме того, с помощью запутанных частиц можно повысить точность измерений и ускорить сбор информации о системе (эти возможности изучает квантовая метрология).
Для всех этих целей важно качество запутанных фотонов, которое определяется следующими четырьмя факторами. Во-первых, генератор должен производить фотоны, квантовое состояние которых совпадает с максимально запутанным состоянием Белла. Степень этого совпадения измеряется параметром «верности» (fidelity): для запутанных состояний этот параметр равен единице, для абсолютно случайных состояний — нулю. Во-вторых, генератор должен генерировать фотоны «по требованию» (on-demand generation), то есть испускать только одну запутанную пару за раз и включаться только в те моменты, когда это нужно для опыта. В-третьих, все испущенные фотоны должны быть извлечены из источника и собраны с высокой степенью эффективности. Другими словами, они не должны поглощаться и теряться внутри генератора. Наконец, запутанные фотоны, испущенные генератором в разные моменты времени, должны быть абсолютно неразличимыми. Если какое-то из этих условий нарушено, физикам приходится искусственно его восстанавливать, отсеивая лишние фотоны. Это усложняет установку и уменьшает число эффективно производимых запутанных пар.
К сожалению, до последнего времени не существовало генератора запутанных фотонов, который удовлетворял бы всем четырем требованиям. Более того, генератор, который удовлетворяет хотя бы трем из четырех требований, удалось построить только в прошлом году. Для этого группа физиков под руководством Цзянь-Вэй Паня (Jian-Wei Pan) использовала процесс спонтанного параметрического рассеяния (подробности можно найти в методичке Алексея Калачёва). Настраивая параметры среды, ученым удалось добиться сравнительно высокой «верности» (57 процентов), эффективности (97 процентов) и неразличимости (96 процентов). К сожалению, в ходе спонтанного параметрического рассеяния запутанные пары рождаются случайно, а не «по требованию», и сопровождаются большим потоком нежелательных незапутанных пар. Поэтому в тот раз исследователи не смогли выполнить второе условие.
В новой же статье группа Паня впервые описывает генератор запутанных фотонов, которые удовлетворяют всем четырем необходимым условиям. На этот раз ученые генерировали фотоны с помощью квантовой точки, помещенной в оптическую полость — «яблочко» круглой мишени диаметром порядка десяти микрометров. Квантовая точка — это область полупроводника, в которой носители заряда (электроны или дырки) ограничены по трем направлениям; более подробно про квантовые точки можно узнать из рассказа физика Михаила Киселева. В данной работе полупроводником выступал арсенид галлия-индия InGaAs.
Преимущество квантовых точек перед другими генераторами запутанных фотонов заключается в том, что они практически сразу удовлетворяют трем из четырех критериев. В самом деле, квантовая точка испускает пару запутанных фотонов за счет распада возбужденного состояния, которое предварительно нужно создать, посветив на точку лазером. Следовательно, управлять производством запутанных пар сравнительно легко. Кроме того, «верность» и неразличимость фотонов, производимых таким путем, сравнительно высока: например, в прошлом году группа физиков под руководством Даниэля Хубера (Daniel Huber) получила для этих параметров значения 98 и 93 процента соответственно. Единственный параметр, который оставалось «докрутить» ученым — это эффективность извлечения запутанных фотонов. Для этого физики положили под квантовую точку золотое зеркало, поместили ее в «яблочко» круглой мишени, составленной из полимерных колец, и поместили над точкой собирающую линзу. Согласно расчетам ученых, такая конструкция должна довести эффективность извлечения фотонов до 90 процентов. Кроме того, она должна в 20 раз увеличить скорость генерации запутанных фотонов, что тоже важно для практических применений.
Построенная учеными установка генерировала фотоны с «верностью» и неразличимостью порядка 90 процентов, эффективностью извлечения 62 процента и скоростью генерации 59 процентов (то есть создавала запутанные пары только «по требованию»). Стоит отметить, что ни одно из этих чисел не является рекордным, однако добиться таких высоких результатов одновременно ранее никому не удавалось. Таким образом, разработанный физиками генератор — первый генератор, который удовлетворяет всем четырем ключевым критериям.
С каждым годом физики все больше и больше совершенствуют генераторы запутанных фотонов. Например, в июне 2018 исследователи из Технического университета Делфта (Нидерланды) впервые построили квантовую сеть, которая непрерывно генерировала и передавала запутанные состояния со скоростью, превышающей скорость их декогеренции (разрушения). По словам ученых, это открытие — первый шаг на пути к квантовому интернету. А в июле 2018 австрийские физики заставили квантовую точку излучать запутанные фотоны с рекордно высоким значением «верности» f ≈ 0,98, не прибегая к постобработке сигнала. В новой статье группа Паня развивала именно этот подход.
О том, как физики изучают нелокальность квантовой механики и «телепортируют» состояния частиц с помощью запутанных фотонов, подробно рассказывают материалы «Квантовая азбука: Нелокальность» и «Квантовая азбука: Телепортация». А узнать, как устроена первая в России линия квантовой связи, по которой передают запутанные фотоны, можно в материале «Выдергиваете и сжигаете».
Дмитрий Трунин
Устройство необходимо для разгона электронов в линейном ускорителе
Ученые из Института ядерной физики имени Будкера СО РАН создали ключевой элемент будущего источника синхротронного излучения СКИФ — клистрон, устройство, которое будет обеспечивать линейный ускоритель СКИФа током высокой мощности и сверхвысокой частоты, сообщили пресс-службы института и Минобрнауки РФ. Разработка стала вынужденным шагом: ученые планировали закупить клистроны в Японии, но из-за санкций фирма-подрядчик разорвала контракт. Проект «Сибирского кольцевого источника фотонов» (СКИФ) был утвержден в октябре 2019 года. Предполагается, что он будет генерировать синхротронное излучение с энергией фотонов от 1 до 100 килоэлектронвольт, которое будет использоваться для высокоточного рентгеноструктурного анализа, то изучения характера рассеяния излучения в толще образца. Такого рода «просвечивание» необходимо для многих задач в физике твердого тела, для разработки новых материалов, биомедицинских исследований. Подробнее об этом мы писали в материале «Больше синхротронов». Первый элемент СКИФа — линейный ускоритель (линак), который должен будет выдавать поток электронов с энергиями в 200 мегаэлектронвольт. Частицы разгоняются в нем благодаря переменным электрическим полям высокой частоты в СВЧ-резонаторах. В свою очередь, для питания СВЧ-резонаторов нужен электрический ток сверхвысокой частоты. Устройство, которое для этого предназначено, называется клистроном. В апреле 2023 года физики ИЯФа проверили в действии «первую ступень» линака, разогнав в нем электроны до энергии 30 мегаэлектронвольт. Однако, как пояснил N + 1 завлабораторией ИЯФ Алексей Левичев, в этом эксперименте использовался клистрон японской фирмы Canon, который институт успел получить до введения санкций. По его словам, для полноценной работы линака требуется четыре клистрона — три работающих и один резервный. Поскольку клистроны с нужными параметрами выпускают только в США, Франции и Японии, физикам пришлось создавать устройство самостоятельно. Клистрон представляет собой разновидность электронной лампы. В нем есть катод, где формируется поток электронов. Затем этот поток ускоряется и попадает во входной резонатор, где под действием электрического поля он становится дискретным — разбивается на сгустки, которые, в свою очередь, наводят ток сверхвысокой частоты в выходном резонаторе. Затем электроны «ловит» коллектор и цикл повторяется. Таким образом из непрерывного тока получают ток с частотой колебаний около 3 гигагерц. При испытаниях клистрона, созданного в ИЯФе была получена мощность в 50 мегаватт. По словам, директора ИЯФ Павла Логачева, создать собственный клистрон устройство они смогли благодаря благодаря тому, что Национальная ускорительная лаборатория SLAC подарила институту клистрон, и физики научились с ним работать. По его мнению, эта технология в дальнейшем будет востребована для других ускорительных установок в России — для синхротрона, источника комптоновского излучения в Сарове, источника нейтронов в Дубне. По словам Левичева, проект линейного ускорителя разрабатывался под параметры японского клистрона, поэтому собственная их установка в максимально возможной степени соответствует «исходнику». Однако соответствие все же не стопроцентное, поэтому, вероятнее всего, три сибирских клистрона будут основными, а японскому останется роль резервного. Испытания линака со всеми тремя клистронами и на проектной энергии в 200 мегаэлектронвольт сейчас планируются на лето 2024 года, добавил Левичев. Раньше мы рассказывали, как японским ученым удалось увидеть с помощью синхротрона двухщелевую самоинтерференцию одиночных электронов во времени.