Nowe podejście do splątania kwantowego opracowane przez naukowców z Instytutu Maxa Plancka wykorzystuje rozpraszanie Brillouina do łączenia fotonów z fononami akustycznymi, zwiększając stabilność i działanie w wyższych temperaturach.
Splątanie kwantowe jest niezbędne dla wielu najnowocześniejszych technologii kwantowych, w tym bezpiecznej komunikacji kwantowej i obliczenia kwantowe. Naukowcy z Instytutu Nauk o Świetle Maxa Plancka (MPL) opracowali nową, wydajną metodę splątania fotonów z fononami akustycznymi. Ich podejście pozwala pokonać jedno z najważniejszych wyzwań technologii kwantowej — podatność na hałas zewnętrzny. To przełomowe badanie, opublikowane 13 listopada w Listy z przeglądu fizycznegootwiera nowe możliwości dla solidnych systemów kwantowych.
Badanie splątania optoakustycznego
Splątanie kwantowe to zjawisko, w którym cząstki łączą się ze sobą w takim stopniu, że stan jednej z nich natychmiast wpływa na drugą, niezależnie od odległości między nimi. Właściwość ta ma kluczowe znaczenie dla umożliwienia bezpiecznego przesyłania danych i wielkowymiarowych obliczeń kwantowych. Fotony, jako cząstki światła, doskonale nadają się do przenoszenia informacji kwantowej ze względu na swoją szybkość i niezawodność foton splątanie za pomocą optyki nieliniowej jest już dobrze ugruntowaną techniką.
Jednak naukowcy z MPL rozszerzyli teraz tę koncepcję, osiągając splątanie między fotonami i fononami, jednostkami kwantowymi fal dźwiękowych. Wykorzystując rozpraszanie Brillouina, opracowali metodę splątania optoakustycznego, która jest bardzo odporna i może działać w środowiskach o wysokich temperaturach. Postęp ten nie tylko poszerza zakres technologii kwantowej, ale także czyni ją bardziej praktyczną w zakresie integracji z systemami świata rzeczywistego.
Kontekst historyczny i implikacje technologiczne
Einstein nazwał to „upiornym działaniem na odległość”. Splątanie było historycznie fascynujące na wielu różnych poziomach, ponieważ silnie łączy się z naszym rozumieniem podstawowych praw natury. Korelacje kwantowe między cząstkami mogą utrzymywać się nawet wtedy, gdy są oddzielone dużymi odległościami. Na poziomie praktycznym splątanie kwantowe leży u podstaw wielu pojawiających się technologii kwantowych. W dziedzinie optyki splątanie fotonów ma fundamentalne znaczenie dla zabezpieczenia metod komunikacji kwantowej lub schematów obliczeń kwantowych. Fotony są jednak lotne. Dlatego też poszukuje się wykonalnych alternatyw dla niektórych zastosowań, takich jak pamięć kwantowa lub schematy wzmacniaczy kwantowych. Jedną z takich alternatyw jest dziedzina akustyczna, w której kwanty są przechowywane w postaci fal akustycznych lub dźwiękowych.
Praktyczne postępy w interakcji kwantowej
Naukowcy z MPL wskazali obecnie szczególnie skuteczny sposób splątania fotonów z fononami akustycznymi: podczas gdy oba kwanty przemieszczają się wzdłuż tych samych struktur fotonicznych, fonony poruszają się ze znacznie mniejszą prędkością. Podstawowym efektem jest optyczny efekt nieliniowy znany jako rozpraszanie Brillouina-Mandelstama. Odpowiada za sprzęganie kwantów w zasadniczo różnych skalach energetycznych.
W swoim badaniu naukowcy wykazali, że proponowany schemat splątania może działać w temperaturach rzędu dziesiątek Kelvina. Jest to znacznie więcej niż wymagane w przypadku standardowych podejść, w których często wykorzystuje się drogi sprzęt, taki jak lodówki rozcieńczające. Możliwość implementacji tej koncepcji w światłowodach lub zintegrowanych chipach fotonicznych sprawia, że mechanizm ten jest szczególnie interesujący do zastosowania w nowoczesnych technologiach kwantowych.
Odniesienie: „Optoacoustic Entanglement in a Continuous Brillouin-Active Solid State System” autorstwa Changlong Zhu, Claudiu Genes i Birgit Stiller, 13 listopada 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.203602
