Интерференция света от разных квантовых точек сохранилась на дистанции в 300 километров

Физики из Германии и Китая добились интерференции одиночных фотонов, испущенных независимыми квантовыми точками, расположенными на расстоянии 300 километров друг от друга по оптическому волокну. Для борьбы с различием в длинах волн они использовали конвертер с оптической накачкой, а также уменьшали искажения в поляризации и форме волнового пакета с помощью контроля температуры и системы поляризационных фильтров. В результате видность интерференционной картины составила 0,93. Исследование опубликовано в Advanced Photonics.

Великие физики тоже могут ошибаться. Хрестоматийным примером этого можно считать утверждение Поля Дирака, сделанного им на страницах своей книги «Принципы квантовой механики» — фундаментального труда, в котором он дал последовательное и строгое изложение этой замечательной теории. Знаменитый ученый писал, что «интерференции между двумя разными фотонами никогда не происходит».

Дальнейшее развитие физики показало, что Дирак был не прав. В 1963 году Мандел и Магьяр увидели интерференционные полосы при слиянии излучения от двух разных мазеров. Сегодня интерференция пары фотонов, испущенных независимыми источниками, играет важнейшую роль в приложениях квантовой коммуникации. Например, на тождественности разных фотонов работает технология квантовой телепортации. Такие фотоны можно создавать одинаковыми лазерами.

Для развития квантовых сетей, однако, источники фотонов, желательно одиночных, сами должны быть кубитами. С этой позиции привлекательны квантовые точки — участки кристалла, которые по своим оптическим свойствам напоминают искусственные атомы. Проблема в их использовании для двухфотонной интерференции в том, что сложно добиться идентичности двух разных квантовых точек. Из-за проблем с когерентностью видность интерференционной картины, создаваемой такими искусственными атомами, довольно быстро спадает с ростом расстояния и остается удовлетворительной лишь в пределах нескольких километров.

Улучшить эту ситуацию решили Сян Ю (Xiang You) из Китайского университета науки и технологий с коллегами из Германии и Китая. Они провели эксперименты с двумя квантовыми точками, связанными с микрорезонаторами, излучение от каждой из которых проходило большой путь в мотке с оптоволокном, достигавший 150 километров, и попадало в интерферометр Хонга — У — Мандела. В результате коррекции длины волны и учета поправок на корреляции максимальная видность интерференции оказалась близка к единице.

Физики изготавливали квантовые точки из нескольких слоев различных арсенидов с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. Первый образец они помещали в резонатор в форме микроколонны, а второй — в форме мишени (bullseye cavity). Длины волн фотонов, которые испускали точки, составили 893,16 и 891,92 нанометра, а времена когерентности — 126±1 и 105±2 пикосекунд, соответственно.

На пути к интерференции фотонов, испущенных удаленными независимыми источниками, перед авторами стояло несколько трудностей. Помимо того, что их длины волн слегка отличались друг от друга, они также не были равны стандартным длинам волн, используемых для телекоммуникационных сетей, для которых потери фотонов в коммерческих волокнах минимизированы. При длительном же распространении в фотонах накапливалось искажение поляризации и формы за счет дисперсии.

Для разрешения первой трудности физики использовали частотные конвертеры на основе периодически полированного ниобата лития с накачкой. В результате правильного подбора длины волны накачки (2049,98 и 2043,46 нанометра, соответственно) на выходе из обоих конвертеров появлялись фотоны с длиной волны 1582,75 нанометра. Чтобы стабилизировать свойства фотонов, бегущих по длинному волокну, ученые контролировали его температуру в пределах десятой доли градуса, а также использовали систему управления поляризацией. В результате временной и поляризационный дрейфы снизились достаточно, чтобы сохранить свойства фотонов достаточными для интерференции. Наконец, влияние дисперсии авторы нивелировали тем, что использовали одинаковые участки волокна на пути фотона от каждой квантовой точки.

Ученые использовали волокна различной длины, а также меняли временное окно детектора на основе сверхпроводящей проволоки. Оказалось, что видность интерференционного сигнала не зависит от первого, но улучшается при сокращении второго, поскольку временное разрешение становится меньше времени когерентности фотонов. В результате на окне в 20 пикосекунд и расстоянии между источниками, разделенными волокном длиной 302 километра, физики добились видности, равной 0,93 ± 0,04. Для получения этого значения они вносили в экспериментальный сигнал поправки на корреляции второго порядка.

Ранее мы рассказывали, как интерферометр Хонга — У — Мандела позволил увидеть интерференцию фотонов с магнонами и совместить классические эффекты квантовой механики и специальной теории относительности.