Международная группа ученых, включая специалистов из Национального института оптики Италии, предложила новый способ создания запутанных фотонов в микроволновом диапазоне. Исследование опубликовано в издании PRX Quantum.

Квантовая запутанность — странная связь между частицами, которую нельзя объяснить классической физикой, — лежит в основе будущих технологий связи, вычислений и сверхточных измерений. До сих пор управляемое создание пар запутанных фотонов работало в основном в оптическом диапазоне. Новый метод предлагает использовать куперовские пары — связанные электроны в сверхпроводниках — чтобы генерировать запутанность между микроволновыми фотонами.

Куперовская пара — два электрона в сверхпроводнике, которые, вопреки отталкиванию, связываются через колебания кристаллической решетки. Именно они создают ток без сопротивления.

Устройство, о котором идет речь, объединяет сверхпроводники, квантовые точки и фотонные схемы в наноразмерный чип. Оно расщепляет куперовские пары с помощью двойных квантовых точек, заставляя электроны двигаться по разным каналам и одновременно испускать два запутанных фотона.

До сих пор никто не мог напрямую наблюдать запутанность в одной куперовской паре. Наш метод решает эту проблему, — говорит Джанлука Растелли, один из авторов работы. — В отличие от прошлых подходов, где приходилось измерять сложные зарядовые или спиновые эффекты, мы переводим запутанность в фотоны, которые гораздо проще детектировать. Кроме того, это может помочь изучать более сложные квантовые состояния, например, в топологических сверхпроводниках.

Экспериментальная реализация потребует передовых нанотехнологий, но если все получится, это откроет путь к созданию квантовых компьютеров нового типа, сверхчувствительных датчиков и защищенных коммуникационных сетей, полностью интегрированных в микросхемы.

Если метод заработает, это даст:

• Прямое доказательство запутанности в сверхпроводниках — сейчас ее можно выявить лишь косвенно.
• Новые инструменты для квантовых вычислений — микроволновые фотоны стабильнее оптических, их проще контролировать в чипах.
• Сверхчувствительные детекторы — например, для медицины или астрономии.
• Безопасную связь — запутанные фотоны невозможно перехватить незаметно.

Главная слабость — технологическая сложность.

Устройство требует:

• Идеального совмещения сверхпроводников и квантовых точек.
• Сверхнизких температур.
• Прецизионного контроля фотонных цепей.

Пока неясно, удастся ли достичь нужной точности в ближайшие годы.

Ранее мы простыми словами рассказали, что такое квантовая запутанность.