Будущее квантовых технологий зависит от использования интересных квантовомеханических концепций, таких как многомерные квантовые состояния. Эти состояния являются фундаментальными компонентами квантовой информатики и квантовых технологий. Чтобы манипулировать этими состояниями, ученые обратились к свету, в частности к свойству, называемому орбитальным угловым моментом (ОАМ), которое показывает, как свет скручивается и поворачивается в пространстве. Вот в чем загвоздка: создание сверхярких одиночных фотонов с помощью ОУМ детерминированным способом было непреодолимой проблемой. Генерация почти детерминированных запутанных состояний на основе орбитального углового момента обеспечивает мост между фотонными технологиями для квантового прогресса.
Квантовые точки: мостовая технология
Квантовые точки (КТ) — это крошечные частицы с огромным потенциалом. Исследовательская группа из Римского университета Сапиенца, Парижского университета Сакле и Неаполитанского университета имени Федерико II объединила свойства ОАМ со свойствами квантовых точек, чтобы построить мост между двумя передовыми технологиями. Результаты их исследования были опубликованы в рецензируемом журнале Advanced Photonics.
Концептуальная схема предлагаемого протокола. Управляя поляризацией и ОУМ одиночных фотонов, генерируемых источниками света КТ, почти детерминированным образом, две степени свободы взаимодействуют через q-пластину, создавая внутричастичные запутанные состояния. В межчастичном механизме два фотона, характеризующиеся специфическими состояниями в смешанном пространстве, состоящем из поляризации и ОУМ, интерферируют через светоделитель. Путем выбора количества совпадений реализуется вероятностный вентиль запутанности. Источник: Алессия Супрано
Где инновации? Построенный ими мост можно гибко использовать для двух целей. Во-первых, он может создавать чистые одиночные фотоны, запутанные в поляризационном пространстве ОАМ, которые исследователи могут посчитать напрямую. Во-вторых, этот мост также может создавать пары фотонов, которые сильно коррелируют в квантовом мире. Они запутаны, поэтому состояние каждого отдельного фотона нельзя описать независимо от состояния другого фотона, даже если они находятся далеко друг от друга. Это имеет огромное значение для квантовой связи и шифрования.
Эта новая платформа потенциально способна создавать гибридные запутанные состояния как внутри частиц, так и между ними, принадлежащих многомерному гильбертовому пространству. С одной стороны, исследовательская группа добилась генерации чистых одиночных фотонов, квантовые состояния которых демонстрируют неразделимость в гибридной области поляризации ОАМ. Используя почти детерминированный квантовый источник в сочетании с q-пластиной, устройством, способным регулировать значения OAM на основе однофотонной поляризации, исследователи могут напрямую проверять эти состояния посредством подсчета одиночных фотонов, тем самым избегая необходимости в предварительном процессе и увеличивая скорость генерации.
С другой стороны, исследовательская группа также использовала концепцию неразделимости отдельных фотонов в качестве ресурса для создания однофотонных пар, которые запутаны в гибридном поляризационном пространстве OAM.
Профессор Фабио Шаррино, директор Лаборатории квантовой информации факультета физики Римского университета Сапиенца, прокомментировал: «Предлагаемое гибкое решение представляет собой шаг вперед для многомерных многофотонных экспериментов и может обеспечить важную платформу для фундаментальных исследований и приложений квантовых фотонов».
Влияние на квантовые технологии
По сути, это исследование знаменует собой важный шаг на пути к передовым квантовым технологиям. Это как соединить два больших города. Это соединение открывает захватывающие возможности для квантовых вычислений, коммуникаций и многого другого. Так что это не просто наука, это будущее.