Квантове заплутування частинок зараз є добре відомим феноменом. Ви берете дві чи більше невиміряні частинки та корелюєте їх таким чином, що їх властивості стають розмитими та дзеркально відображають одна одну. Виміряйте одну з них, і властивості іншої миттєво визначаться, навіть якщо вони розділені на значну відстань.
У новому дослідженні фізики запропонували сміливий спосіб змінити підхід до заплутування, поєднавши дві частинки різних типів — одиницю світла, тобто фотон, із фононом, квантовим еквівалентом звукової хвилі.
Фізики Чанлун Чжу, Клаудіу Дженес і Біргіт Стіллер із Інституту науки про світло Макса Планка в Німеччині назвали свою нову систему оптоакустичним заплутуванням.
Це представляє собою гібридну систему з використанням двох дуже різних фундаментальних частинок, створюючи форму заплутування, яка унікально стійка до зовнішніх шумів — однієї з найбільших проблем квантових технологій. Це є значним кроком до створення більш стійких квантових пристроїв.
Квантове заплутування має перспективні застосування у високошвидкісній квантовій комунікації та квантових обчисленнях. Унікальна фізика, яка визначає ізольовані та заплутані частинки до та після їх вимірювання, робить їх ідеальними для широкого спектра використання — від шифрування до високошвидкісних алгоритмів.
Однак тендітний квантовий стан, необхідний для цих процесів, може легко руйнуватися, що обмежує його практичне застосування.
Науковці працюють над вирішенням цієї проблеми, розглядаючи перспективні шляхи. Збільшення розмірності системи зменшує вплив деградуючого шуму, так само як і додавання більшої кількості частинок до заплутаної системи.
Чжу та його колеги досліджували шлях, у якому фотони спаровуються не з іншими фотонами, а з «частинкою» зовсім іншого типу — звуком. Це досить складно, оскільки фотони й фонони рухаються з різною швидкістю і мають різні рівні енергії.
Дослідники показали, як можна заплутати частинки, використовуючи процес під назвою бріллюенівське розсіяння, при якому світло розсіюється хвилями звукових коливань, викликаних теплом у матеріалі.
У запропонованій твердотільній системі дослідники використовували б лазерні імпульси та акустичні хвилі в інтегрованій бріллюенівсько-активній хвилеводній системі, створеній для виклику бріллюенівського розсіяння. Коли ці два кванти рухаються в одній фотонній структурі, фонон рухається набагато повільніше, спричиняючи розсіяння, яке може заплутати частинки з різко різними рівнями енергії.
Що робить це ще цікавішим, так це можливість досягнення цього процесу за вищих температур, ніж стандартні підходи до заплутування, що дозволяє уникнути використання кріогенної техніки та зменшити витрати на спеціалізоване обладнання.
Хоча це потребує подальших досліджень та експериментів, результати є багатообіцяючими, зазначають дослідники.
«Той факт, що система працює на великій ширині смуги як оптичних, так і акустичних мод», — пишуть вони, «відкриває нові перспективи для заплутування з безперервними модами з великим потенціалом для застосування у квантових обчисленнях, квантовому зберіганні, квантовій метрології, квантовій телепортації, квантовій комунікації з використанням заплутування та дослідження межі між класичним і квантовим світом».
The research has been published in Physical Review Letters.