Некоторые из самых передовых систем связи, разрабатываемых в настоящее время, полагаются на свойства квантовой науки для хранения и передачи информации. Однако исследователи, разрабатывающие системы квантовой связи, которые для передачи информации используют свет, а не электрический ток, сталкиваются с затруднительным положением: оптические компоненты, которые хранят и обрабатывают квантовую информацию, обычно требуют для работы фотонов (частиц света) в видимом свете. Однако только фотоны ближнего инфракрасного диапазона с длиной волны примерно в 10 раз длиннее могут передавать эту информацию по километрам оптических волокон.

Теперь исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали новый способ решения этой проблемы. Впервые команда создала квантово-коррелированные пары, состоящие из одного видимого и одного фотона в ближнем инфракрасном диапазоне, используя оптические компоненты на основе чипов, которые могут быть произведены массово. Эти фотонные пары сочетают в себе лучшее из обоих миров: партнеры в видимом свете могут взаимодействовать с захваченными атомами, ионами или другими системами, которые служат квантовыми версиями компьютерной памяти, в то время как члены каждой пары в ближнем инфракрасном диапазоне могут свободно распространяться на большие расстояния по оптическому волокну.

Это достижение обещает повысить способность световых цепей безопасно передавать информацию в удаленные места. Исследователи NIST Сиюань Лу, Картик Сринивасан и их коллеги из Наноцентра Университета Мэриленда в Колледж-Парке продемонстрировали квантовую корреляцию, известную как запутанность, используя определенную пару фотонов видимого света и ближнего инфракрасного диапазона. Тем не менее, методы проектирования исследователей могут быть легко применены для создания множества других пар видимого света / ближнего инфракрасного диапазона, адаптированных к конкретным системам, представляющим интерес. Более того, миниатюрные оптические компоненты, которые создали запутанность, производятся в большом количестве.

Лу, Шринивасан и их коллеги недавно описали свою работу в Nature Physics.

Одно из наиболее нелогичных свойств квантовой механики - квантовая запутанность возникает, когда два или более фотона или других частиц подготавливаются таким образом, что они настолько неразрывно связаны, что ведут себя как единое целое. Измерение, которое определяет квантовое состояние одной из запутанных частиц, автоматически определяет состояние другой, даже если две частицы находятся на противоположных сторонах Вселенной. Запутанность лежит в основе многих схем квантовой информации, включая квантовые вычисления и шифрование.

Во многих ситуациях два запутанных фотона имеют одинаковые длины волн или цвета. Но исследователи NIST намеренно намеревались создать странные пары - запутывание между фотонами, цвета которых сильно отличаются.

"Мы хотели связать вместе фотоны видимого света, которые хороши для хранения информации в атомных системах, и телекоммуникационные фотоны, которые находятся в ближнем инфракрасном диапазоне и хорошо проходят через оптические волокна с низкой потерей сигнала", - сказал Шринивасан.

Чтобы сделать фотоны пригодными для взаимодействия с большинством квантовых систем хранения информации, команде также было необходимо, чтобы свет достигал резкого пика на определенной длине волны, а не имел более широкого, более рассеянного распределения.

Для создания запутанных пар команда сконструировала специально разработанную оптическую "шепчущую галерею" - наноразмерный резонатор из нитрида кремния, который направляет свет по крошечной беговой дорожке, подобно тому, как звуковые волны беспрепятственно распространяются по изогнутой стене, такой как купол собора Святого Павла в Лондоне. В таких изогнутых структурах, известных как акустические шепчущие галереи, человек, стоящий возле одной части стены, легко слышит слабый звук, исходящий из любой другой части стены.

Когда выбранная длина волны лазерного излучения направлялась в резонатор, возникали запутанные пары фотонов видимого света и ближнего инфракрасного диапазона. (Специфический тип запутывания, используемый в эксперименте, известный как запутывание время-энергия, связывает энергию пар фотонов со временем, в которое они генерируются.)

"Мы выяснили, как сконструировать эти резонаторы с шепчущей галереей, чтобы производить большое количество пар, которые мы хотели, с очень небольшим фоновым шумом и другим посторонним светом", - сказал Лу. Исследователи подтвердили, что запутанность сохранялась даже после того, как телекоммуникационные фотоны проходили через несколько километров оптического волокна.

В будущем, объединив две запутанные пары с двумя квантовыми запоминающими устройствами, запутанность, присущая парам фотонов, может быть передана в квантовую память. Этот метод, известный как обмен запутанностью, позволяет перепутывать воспоминания друг с другом на гораздо большем расстоянии, чем это было бы возможно в обычных условиях.

"Наш вклад заключался в том, чтобы выяснить, как создать квантовый источник света с правильными свойствами, которые могли бы обеспечить такую запутанность на большом расстоянии", - сказал Шринивасан.