- 12,454
- 18
- 8 Ноя 2022
Как ученые создают запутанные фотоны.
Новое Для просмотра ссылки Войдиили Зарегистрируйся в Nature Physics демонстрирует новый метод генерации квантовой запутанности с использованием квантовой точки, что нарушает Для просмотра ссылки Войди или Зарегистрируйся . Этот метод использует ультранизкие уровни мощности и может открыть путь к масштабируемым и эффективным квантовым технологиям.
Неравенство Белла — это математическое выражение, разработанное физиком Джоном Стюартом Беллом в 1964 году, которое используется для различения классических и квантовых корреляций. Оно проверяет, могут ли наблюдаемые корреляции между частицами быть объяснены классической физикой или требуют квантовой механики. Если измеренные корреляции превышают определенный порог, это подтверждает квантовую запутанность, показывая, что поведение частиц невозможно объяснить классическими теориями.
Квантовая запутанность необходима для квантовых вычислительных технологий. В этом явлении кубиты (квантовые биты) — строительные блоки квантовых компьютеров — становятся коррелированными независимо от их физического расстояния.
Это означает, что если измеряется свойство одного кубита, это влияет на другой. Квантовая запутанность проверяется с помощью неравенства Белла, теоремы, которая тестирует валидность квантовой механики путем измерения запутанных кубитов.
Phys.org поговорил с первым автором исследования, доктором Шикай Лю из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете в Дании. Интерес доктора Лю к Для просмотра ссылки Войдиили Зарегистрируйся возник из его предыдущей работы с традиционными источниками запутанности.
<h2>Неравенство Белла</h2> В основе этого исследования лежит неравенство Белла. Предложенное физиком Джоном Стюартом Беллом в 1964 году, это математическое выражение помогает различать классическое и квантовое поведение.
В квантовом мире частицы могут демонстрировать корреляции, которые сильнее, чем это возможно в классическом мире. Неравенство Белла предоставляет порог: если корреляции превышают этот порог, то природа корреляций квантовая, что указывает на Для просмотра ссылки Войдиили Зарегистрируйся .
Исследователи использовали это для подтверждения валидности своего эксперимента и установления, производит ли их установка квантовую запутанность. Установка была основана на квантовых точках и волноводах.
<h2>Искусственные атомы на чипе</h2> Квантовые точки — это наноструктуры, которые ведут себя как искусственные атомы. По сути, это полупроводниковые чипы, предназначенные для захвата электронов внутри своей структуры.
Захватывая электроны в малом пространстве, электроны проявляют квантованные энергетические состояния, как и в атомах. Поэтому говорят, что квантовые точки ведут себя как искусственные атомы.
Эти квантовые точки действуют как двухуровневые системы, подобные естественным атомам, но с преимуществом интеграции в чип. Кроме того, энергетические уровни могут быть настроены в зависимости от размера и состава квантовой точки.
Системы квантовых точек могут выступать в качестве эмиттеров, что означает, что они могут эффективно испускать одиночные фотоны. В определенных условиях излучаемые фотоны могут становиться запутанными.
<h2>Связь с волноводом</h2> Для повышения эффективности, когерентности и стабильности излучаемых фотонов от квантовой точки исследователи соединили ее с фотонным кристаллическим волноводом.
Эти материалы имеют периодическую структуру чередующихся материалов с высоким и низким показателем преломления. Это позволяет направлять свет через трубчатую структуру, которая тонка, как человеческий волос.
Волноводы позволяют контролировать и манипулировать распространением света в терминах направления и длины волны, тем самым усиливая взаимодействие света с веществом.
Однако достижение эффективной связи между волноводом и квантовой точкой представляет значительные трудности.
«Чтобы улучшить взаимодействие света с веществом, мы изготовили фотонный кристаллический волновод, который обеспечивает сильное ограничение для квантовой точки», — объяснил доктор Лю. «Это привело не только к высокой эффективности связи излучаемого света с волноводом (более 90%), но и к усилению Для просмотра ссылки Войдиили Зарегистрируйся в 16 раз за счет замедления света в наноструктуре и увеличения времени его взаимодействия с квантовой точкой».
Усиление эффекта Пурцелла относится к явлению, когда скорость спонтанного излучения квантового излучателя (например, квантовой точки) увеличивается, когда он помещен в резонансную оптическую полость или вблизи структурированной фотонной среды.
Проще говоря, усиление эффекта Пурцелла увеличивает излучение света от квантовых излучателей, помещая их в среды, которые усиливают их взаимодействие со светом. Это работает, изменяя количество различных способов излучения света в области вокруг излучателя.
<h2>Нарушение неравенства Белла</h2> Команда также столкнулась с быстрой Для просмотра ссылки Войдиили Зарегистрируйся (быстрая потеря когерентности), вызванной тепловыми вибрациями в кристаллической решетке. Эти вибрации нарушают стабильные квантовые состояния частиц, что затрудняет поддержание и точное измерение их квантовых свойств.
Их решение заключалось в охлаждении чипа до -269°C, чтобы минимизировать нежелательные взаимодействия между квантовой точкой и фононами в полупроводниковом материале.
После установки двухуровневой системы излучателя для производства запутанных фотонов исследователи использовали два несимметричных Для просмотра ссылки Войдиили Зарегистрируйся для проведения теста неравенства Белла CHSH (Клаузер-Хорн-Шимони-Холт). CHSH — это форма неравенства Белла.
Тщательно настроив фазы интерферометра, исследователи измерили интерференцию Фрэнсона между излучаемыми фотонами. Интерференция Фрэнсона — это тип интерференционной картины, наблюдаемой в экспериментах по квантовой оптике с участием запутанных фотонов.
«Наблюдаемое значение параметра S в наших измерениях составило 2,67 ± 0,16, что значительно выше предела локальности 2. Этот результат подтвердил нарушение неравенства Белла, тем самым подтвердив состояние энергетически-временной запутанности, созданное нашим методом», — сказал доктор Лю.
Это нарушение важно, поскольку оно подтверждает квантовую природу корреляций между фотонами.
<h2>Энергоэффективность и будущее</h2> Одной из выдающихся особенностей их двухуровневой системы излучателя является ее энергоэффективность.
Запутанность генерировалась при мощностях накачки всего 7,2 пиковатт, что примерно в 1000 раз меньше, чем у традиционных источников одиночных фотонов. Эта работа при ультранизкой мощности, в сочетании с интеграцией на чипе, делает метод очень перспективным для практических квантовых технологий.
Доктор Лю видит несколько захватывающих направлений для будущих исследований. «Одно из направлений — изучение сложных фотонных квантовых состояний и многочастичных взаимодействий посредством неупругого рассеяния на нескольких двухуровневых излучателях. Кроме того, дальнейшая интеграция нашего метода в совместимые фотонные схемы позволит получить больше функциональностей с малым размером, что повысит универсальные фотонные квантовые приложения, включая вычисления, связь и сенсорику».
Новое Для просмотра ссылки Войди
Неравенство Белла — это математическое выражение, разработанное физиком Джоном Стюартом Беллом в 1964 году, которое используется для различения классических и квантовых корреляций. Оно проверяет, могут ли наблюдаемые корреляции между частицами быть объяснены классической физикой или требуют квантовой механики. Если измеренные корреляции превышают определенный порог, это подтверждает квантовую запутанность, показывая, что поведение частиц невозможно объяснить классическими теориями.
Квантовая запутанность необходима для квантовых вычислительных технологий. В этом явлении кубиты (квантовые биты) — строительные блоки квантовых компьютеров — становятся коррелированными независимо от их физического расстояния.
Это означает, что если измеряется свойство одного кубита, это влияет на другой. Квантовая запутанность проверяется с помощью неравенства Белла, теоремы, которая тестирует валидность квантовой механики путем измерения запутанных кубитов.
Phys.org поговорил с первым автором исследования, доктором Шикай Лю из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете в Дании. Интерес доктора Лю к Для просмотра ссылки Войди
<h2>Неравенство Белла</h2> В основе этого исследования лежит неравенство Белла. Предложенное физиком Джоном Стюартом Беллом в 1964 году, это математическое выражение помогает различать классическое и квантовое поведение.
В квантовом мире частицы могут демонстрировать корреляции, которые сильнее, чем это возможно в классическом мире. Неравенство Белла предоставляет порог: если корреляции превышают этот порог, то природа корреляций квантовая, что указывает на Для просмотра ссылки Войди
Исследователи использовали это для подтверждения валидности своего эксперимента и установления, производит ли их установка квантовую запутанность. Установка была основана на квантовых точках и волноводах.
<h2>Искусственные атомы на чипе</h2> Квантовые точки — это наноструктуры, которые ведут себя как искусственные атомы. По сути, это полупроводниковые чипы, предназначенные для захвата электронов внутри своей структуры.
Захватывая электроны в малом пространстве, электроны проявляют квантованные энергетические состояния, как и в атомах. Поэтому говорят, что квантовые точки ведут себя как искусственные атомы.
Эти квантовые точки действуют как двухуровневые системы, подобные естественным атомам, но с преимуществом интеграции в чип. Кроме того, энергетические уровни могут быть настроены в зависимости от размера и состава квантовой точки.
Системы квантовых точек могут выступать в качестве эмиттеров, что означает, что они могут эффективно испускать одиночные фотоны. В определенных условиях излучаемые фотоны могут становиться запутанными.
<h2>Связь с волноводом</h2> Для повышения эффективности, когерентности и стабильности излучаемых фотонов от квантовой точки исследователи соединили ее с фотонным кристаллическим волноводом.
Эти материалы имеют периодическую структуру чередующихся материалов с высоким и низким показателем преломления. Это позволяет направлять свет через трубчатую структуру, которая тонка, как человеческий волос.
Волноводы позволяют контролировать и манипулировать распространением света в терминах направления и длины волны, тем самым усиливая взаимодействие света с веществом.
Однако достижение эффективной связи между волноводом и квантовой точкой представляет значительные трудности.
«Чтобы улучшить взаимодействие света с веществом, мы изготовили фотонный кристаллический волновод, который обеспечивает сильное ограничение для квантовой точки», — объяснил доктор Лю. «Это привело не только к высокой эффективности связи излучаемого света с волноводом (более 90%), но и к усилению Для просмотра ссылки Войди
Усиление эффекта Пурцелла относится к явлению, когда скорость спонтанного излучения квантового излучателя (например, квантовой точки) увеличивается, когда он помещен в резонансную оптическую полость или вблизи структурированной фотонной среды.
Проще говоря, усиление эффекта Пурцелла увеличивает излучение света от квантовых излучателей, помещая их в среды, которые усиливают их взаимодействие со светом. Это работает, изменяя количество различных способов излучения света в области вокруг излучателя.
<h2>Нарушение неравенства Белла</h2> Команда также столкнулась с быстрой Для просмотра ссылки Войди
Их решение заключалось в охлаждении чипа до -269°C, чтобы минимизировать нежелательные взаимодействия между квантовой точкой и фононами в полупроводниковом материале.
После установки двухуровневой системы излучателя для производства запутанных фотонов исследователи использовали два несимметричных Для просмотра ссылки Войди
Тщательно настроив фазы интерферометра, исследователи измерили интерференцию Фрэнсона между излучаемыми фотонами. Интерференция Фрэнсона — это тип интерференционной картины, наблюдаемой в экспериментах по квантовой оптике с участием запутанных фотонов.
«Наблюдаемое значение параметра S в наших измерениях составило 2,67 ± 0,16, что значительно выше предела локальности 2. Этот результат подтвердил нарушение неравенства Белла, тем самым подтвердив состояние энергетически-временной запутанности, созданное нашим методом», — сказал доктор Лю.
Это нарушение важно, поскольку оно подтверждает квантовую природу корреляций между фотонами.
<h2>Энергоэффективность и будущее</h2> Одной из выдающихся особенностей их двухуровневой системы излучателя является ее энергоэффективность.
Запутанность генерировалась при мощностях накачки всего 7,2 пиковатт, что примерно в 1000 раз меньше, чем у традиционных источников одиночных фотонов. Эта работа при ультранизкой мощности, в сочетании с интеграцией на чипе, делает метод очень перспективным для практических квантовых технологий.
Доктор Лю видит несколько захватывающих направлений для будущих исследований. «Одно из направлений — изучение сложных фотонных квантовых состояний и многочастичных взаимодействий посредством неупругого рассеяния на нескольких двухуровневых излучателях. Кроме того, дальнейшая интеграция нашего метода в совместимые фотонные схемы позволит получить больше функциональностей с малым размером, что повысит универсальные фотонные квантовые приложения, включая вычисления, связь и сенсорику».
- Источник новости
- www.securitylab.ru
