Группа ученых из китайского Научно-технического университета, расположенного в провинции Аньхой на юго-востоке Китая, разработала и реализовала новый высокоэффективный метод генерации запутанных фотонов, фундаментального компонента некоторых видов реализации квантовых вычислений и коммуникаций. Применение этого метода позволит ускорить как лабораторные исследования в области квантовых технологий, так и работу существующих технологий, таких, как квантовое шифрование.
Для своей эффективной работы квантовые компьютеры и коммуникационные системы нуждаются в большом количестве запутанных фотонов, частиц света, которые остаются связанными невидимой квантовой связью даже на больших расстояниях и которые используются для телепортации (передачи) информации.
Самым распространенным методом генерации запутанных фотонов является расщепление мощного луча лазерного света внутри специального кристалла с нелинейными оптическими характеристиками. Большая часть фотонов лазерного света беспрепятственно проходит сквозь такой кристалл, и лишь некоторые из них под влиянием процесса спонтанного параметрического преобразования расщепляются на два запутанных фотона, имеющие в два раза меньшую энергию, чем энергия оригинального фотона.
Такой метод малоэффективен и непредсказуем, из десятков миллионов фотонов получается всего лишь одна запутанная пара. Но, создавая свой генератор запутанных фотонов, китайские исследователи пошли по совершенно иному пути.
Сначала, из сотен атомов рубидия ученые сформировали облако конденсата Бозе-Эйнштейна, которое стало вести себя как один большой суператом. Затем, один из атомов конденсата был возбужден при помощи света лазера и он перешел в так называемое состояние Ридберга, названное в честь известного шведского физика 19-го столетия.
Поскольку атом поглотил некоторое количество энергии и стал больше, он начал взаимодействовать с соседними атомами конденсата, смещая их энергетические уровни, что привело к тому, что через некоторое время все атомы стали запутанными на квантовом уровне. Во время этого процесса атомы рубидия, сбрасывая излишки энергии, излучали фотоны. И, как показали результаты экспериментальной проверки, все эти фотоны были запутанными.
В настоящее время исследователям, при помощи суператома Ридберга, удалось добиться эффективности генерации запутанных фотонов на уровне 27 процентов, что существенно выше 16 процентов, максимального значения, полученного при помощи оптического кристалла и процесса спонтанного параметрического преобразования. Более того, согласно теории, эффективность генерации запутанных фотонов суператомом Ридберга при идеальных условиях может добраться до отметки в 100 процентов.