Дроны распределили квантовую запутанность на километр
Физики собрали и настроили мобильную оптическую схему распределения запутанных пар фотонов. Они использовали дроны в качестве площадки для частей схемы и смогли разнести фотоны на расстояние одного километра. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
В основе множества современных экспериментов и их применений в квантовых технологиях лежит квантовая запутанность. Состояния фотонов из запутанной пары можно телепортировать, передавать или использовать в вычислениях. Подробно об этом рассказывает наш материал «Квантовая азбука: Телепортация». Квантовая запутанность неотрывно связана с нелокальностью — возможностью измерять свойства одной частицы с помощью другой, не взаимодействующей с первой. Нарушение локальности возможно только в квантовой механике и экспериментальное подтверждение этого явления — нарушение неравенств Белла. Этому явлению посвящен наш материал «Квантовая азбука: Нелокальность».
Если процесс приготовления запутанных фотонов (или атомов) уже не вызывает вопросов, то их передача оставляет пространство для рассуждений и экспериментов. Например, сигнал от источника запутанных пар можно передавать по волокну (чаще всего используют на длинах волн 1550 или 1300 нанометров) или через открытое пространство (видимый или ближний ИК диапазоны). В первом случае ученые сталкиваются с большими потерями в волокне (сигнал быстро затухает), во втором случае передавать фотоны на большие расстояния мешает расхождение пучка из-за дифракции. Тем не менее технические ухищрения помогают воплотить в жизнь эксперименты с запутанными фотонами. Физикам уже удалось обменяться запутанными фотонами через 100 километров оптоволкна и даже запустить первую станцию квантовой спутниковой связи.
Команда физиков под руководством Ши-Нин Чжу (Shi-Ning Zhu) из университета Нанджунга предложила мобильную схему передачи запутанных пар с помощью дронов. Они разместили фотонный источник прямо на дроне и разделили пару на расстояние одного километра.
Компактный источник запутанных пар позволяет получать на выходе два фотона с ортогональными поляризациями. В основе схемы лежит интерферометр Саньяка, внутри которого расположен нелинейный кристалл. Именно он «делит» приходящий на него фотон накачки на два запутанных фотона — один с вертикальной, а другой с горизонтальной поляризациями. Такое деление называется спонтанным параметрическим рассеянием типа 2 (если у рожденных фотонов одинаковая поляризация, то это тип 1). Фотоны с разными поляризациями идут по одному и тому же пути и разделить их помогает поляризационный светоделитель. Он пропускает фотоны с горизонтальной поляризацией и отклоняет вертикально поляризованные. Схема в виде интерферометра позволяет накачивать кристалл с двух сторон и после разделения родившейся пары получать HV или VH состояния на выходе (здесь порядок горизонтальной H и вертикальной V поляризации указывает номер выходного канала). Важно отметить, что из-за случайности процесса генерации в нелинейном кристалле, выходным состоянием источника будет суперпозиция состояний HV и VH, то есть каждое состояние получается на выходе с определенной вероятностью.
Второй беспилотник служил платформой для ретранслятора, позволяющего корректировать дифракционную расходимость пучка и передавать сигнал дальше. Благодаря компактности вес обеих оптических систем, размещенных на дронах, оказался в несколько раз меньше максимальной подъемной массы (35 килограмм).
Ученые пробовали передавать сигнал между двумя дронами и между дроном и землей. Им удалось отправить сигнал от мобильного источника на ретранслятор, который тоже находился на дроне и на расстоянии 200 метров. После ретранслятора сигнал шел к Бобу на землю, преодолевая 400 метров. Использование дополнительного узла с ретранслятором делает возможным передачу фотонов, когда отсутствует прямая видимость между источником и Бобом. Расстояние между источником и Алисой тоже составляло 400 метров. При этом потери между точками не превосходили 8 децибел.
Измерение состояний, которые прошли к Алисе и Бобу показали высокую степень неразличимости фотонов и их нелокальности, что характеризует качество источника и настройку всей оптической схемы. Тем не менее авторы предлагают улучшить юстировку между отдельными платформами для уменьшения потерь и улучшения качества передачи фотонов.
Несмотря на то, что само распределение запутанных фотонов не является прикладной задачей, мобильность предложенной учеными схемы открывает большие возможности для квантовой коммуникации, квантовой телепортации, квантовых вычислений и в исследовании фундаментальных задач.
Кстати, фотоны могут быть связаны не только поляризацией внутри пары, но и, например, орбитальным угловым моментом между двумя разными парами. Физикам из Южной Африки удалось создать такие «многоразмерные» фотоны и проверить степень их запутанности.
Оксана Борзенкова
Для этого он снимал на видео и моделировал работу этой игрушки
Американский физик экспериментально и теоретически исследовал вращение нити в стрингшутере — игрушке, в которой небольшие вращающиеся колеса формируют в воздухе стабильные нитевые петли. Построенная ученым модель хорошо объяснила опыт и при этом оказалась достаточно простой, чтобы использовать ее на занятиях по механике. Исследование опубликовано в The Physics Teacher. Стрингшутер (иногда струнный шутер) — это игрушка, представляющая собой длинную замкнутую нить, вращающуюся вдоль своей длины под действием управляющих колесиков или валов подобно лассо. Замечательная особенность стрингшутера в том, что при правильных условиях в воздухе образуется стабильная веревочная петля, по которой можно запускать волны. Этот факт привлек внимание физиков сравнительно недавно и получил удовлетворительное математическое объяснение. Вместе с тем, игрушка могла бы стать хорошим дидактическим материалом при изучении физики, поэтому было бы полезно построить достаточно простую теорию, описывающую петлю, но в то же время объясняющую эксперимент. Сделать это удалось Карлу Мамола (Karl Mamola) из Аппалачского университета. Он записал систему простых уравнений для петли стрингшутера и численно решил их, сравнив результат с вращением нити в настоящей игрушке, а также показал, откуда возникает ее устойчивость. Чтобы двигающаяся петля оставалась в равновесии, необходимо, чтобы была равна нулю не только действующая на нее равнодействующая сила, но и полный момент сил. Особенность игрушки в том, что колеса не создают такого момента, поскольку прилагаемая ими сила имеет нулевое плечо. Аэродинамической подъемной силы в этом случае также не возникает из-за того, что воздушный поток вокруг нити симметричный. Вместо этого воздух создает силу сопротивления, зависящую от скорости. А поскольку модуль скорости постоянен вдоль нити, то таким же свойством обладает и сила сопротивления. Ее интегральное действие на всю петлю формирует момент сил, направленный противоположно гравитационному моменту и обеспечивающий равновесие. С учетом этого факта физик рассмотрел бесконечно малый участок нерастяжимой и абсолютно гибкой нити и записал для него второй закон Ньютона для движения и вращения. Численное интегрирование этих уравнений способно восстановить форму петли, для чего ученому нужны были какие-то конкретные параметры петли. Он взял их из эксперимента с реальной игрушкой, произведенной фирмой LoopLasso, с нитью стрингшутера длиной 3,08 метра и массой 2,72 грамма и диаметром колес 2,7 сантиметра. Боковая фотография нити и ее последующая оцифровка позволили получить координаты участков петли и ее общие параметры: размер, угол запуска и угол возврата. Также физик пометил один из участков нити маркером, что позволило вычислить скорость нити по видео — она составила 7,5 метра в секунду. Автор использовал добытые параметры в моделировании. Единственную неизвестную величину — коэффициент сопротивления — он извлек из подгонки с наилучшим соответствием. Результаты моделирования оказались в хорошем согласии с опытом. Отклонения наблюдались только в области большой кривизны — физик связал это с невыполнением требования абсолютной гибкости. На основе развитой модели он также показал, что момент силы тяжести уравновешивается сопротивлением воздуха вдоль всей нити. Ранее мы рассказывали, как физики объясняют механику других повседневных вещей и явлений: падения бутерброда маслом вниз, живучесть кошек при падении с высоты и переноску чашки с кофе.