Сверхбыстрые квантовые компьютеры и коммуникационные устройства могли бы революционизировать бесчисленные аспекты нашей жизни — но, во-первых, исследователям нужен быстрый, эффективный источник запутанных пар фотонов, которые такие системы используют для передачи и управления информацией.

Исследователи создают запутанные фотоны в 100 раз эффективнее, чем это было возможно ранее

Исследователи из Стивенсовского технологического института сделали именно это, не только создав источник фотонов на базе чипа, в 100 раз более эффективный, чем это было возможно ранее, но и обеспечив массивную интеграцию квантовых устройств в пределах досягаемости.

Источник запутанных пар фотонов

«Долгое время считалось, что это возможно в теории, но мы первыми показали это на практике», — сказал Юпин Хуанг, доцент физики Галлагера и директор Центра квантовой науки и техники.

Для создания фотонных пар исследователи улавливают свет в тщательно вылепленных наноразмерных микроволокнах; по мере циркуляции света в полости его фотоны резонируют и расщепляются на запутанные пары. Но есть одна загвоздка: в настоящее время такие системы крайне неэффективны и требуют поток входящего лазерного света, состоящий из сотен миллионов фотонов, прежде чем одна запутанная пара фотонов будет нехотя выходить с другого конца.

Хуан и коллеги разработали новый источник фотонов на основе чипа, который в 100 раз эффективнее любого предыдущего устройства, позволяя создавать десятки миллионов запутанных пар фотонов в секунду из одного лазерного луча мощностью в микроватт.

Исследователи создают запутанные фотоны в 100 раз эффективнее, чем это было возможно ранее

Это огромная веха для квантовых коммуникаций», — сказал Хуанг, чья работа появится в выпуске «Физических обзорных писем» от 17 декабря.

Хуан создал на основе предыдущих исследований в своей лаборатории чрезвычайно высококачественные микроотверстия в хлопьях кристалла ниобата лития. Полости в форме гоночной трассы внутренне отражают фотоны с очень небольшими потерями энергии, позволяя свету дольше циркулировать и взаимодействовать с большей эффективностью.

Точно отрегулировав дополнительные факторы, такие как температура, команда смогла создать беспрецедентно яркий источник запутанных пар фотонов. На практике это позволяет производить фотонные пары в гораздо больших количествах для заданного количества поступающего света, значительно снижая энергию, необходимую для питания квантовых компонентов.

Команда уже работает над дальнейшим совершенствованием своего процесса, и говорят, что ожидают скорого достижения истинного Святого Грааля квантовой оптики: системы, с помощью которой можно превратить один входящий фотон в запутанную пару исходящих фотонов, практически не тратя энергию впустую. «Это определенно достижимо», — сказал аспирант Чен. «На данный момент нам просто нужны постепенные улучшения».

До тех пор команда планирует продолжать совершенствовать свои технологии и искать способы использования источника фотонов для управления логическими воротами и другими квантовыми вычислительными или коммуникационными компонентами. «Поскольку эта технология уже основана на чипе, мы готовы начать масштабирование с интеграции других пассивных или активных оптических компонентов», — пояснил Хуанг.

Конечная цель, сказал Хуанг, — сделать квантовые устройства настолько эффективными и дешевыми в эксплуатации, чтобы их можно было интегрировать в основные электронные устройства. «Мы хотим вывести квантовую технологию из лаборатории, чтобы она принесла пользу каждому из нас», — объяснил он. «Когда-нибудь вскоре мы хотим, чтобы у детей были квантовые ноутбуки в рюкзаках, и мы изо всех сил стараемся сделать это реальностью».