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.
Схема источника запутанных пар фотонов на основе интерферометра Саньяка, LD - лазерный диод накачки, QWP и HWP - пластинки, меняющие поляризацию пучка, PBS - поляризационный светоделитель, PPKTP - нелинейный кристалл, два волоконных выхода C в правом нижнем углу - каналы, по которым фотоны уходят к Алисе или Бобу
Источник изображения: Hua-Ying Liu et al. / Physical Review Letters, 2020
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 обоих оптических систем, размещенных на дронах, оказался в несколько раз меньше максимальной подъемной массы (35 килограмм).
(a) общая оптическая схема, где дрон 1 держит источник, дрон 2 - ретранслятор, а Алиса и Боб находятся на земле, (b) результаты измерений в разных базисах для оценки параметра нелокальности.
Источник изображения: Hua-Ying Liu et al. / Physical Review Letters, 2020
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