Учените все по-често изучават квантовото вплитане, което възниква, когато две или повече системи са създадени или взаимодействат по такъв начин, че квантовите състояния на едните не могат да бъдат описани независимо от квантовите състояния на другите.

Системите са свързани, дори когато са разделени на голямо разстояние. Значителният потенциал за приложения в областта на криптирането, комуникациите и квантовите изчисления стимулира научните изследвания.

Трудността се състои в това, че когато системите взаимодействат със заобикалящата ги среда, те почти веднага се разпадат.

В последното изследване на Лабораторията за кохерентна манипулация на атоми и светлина (LMCAL) към Института по физика на Университета в Сао Пауло (IF-USP) в Бразилия изследователите успяват да разработят светлинен източник, който създава два вплетени светлинни лъча. Тяхната работа е публикувана в Physical Review Letters.

"Източникът на светлина бе оптичен параметричен осцилатор или OPO (Optical Parametric Oscillator), който обикновено се състои от нелинеен кристал с оптична реакция между две огледала, образуващи оптична кухина. Когато ярък зелен лъч освети апарата, динамиката на кристала и огледалата създава два светлинни лъча с квантови корелации", разказва физикът Ханс Марин Флорес (Hans Marin Florez), последен автор на статията.

Проблемът се състои в това, че светлината, излъчвана от OPO на базата на кристали, не може да взаимодейства с други системи, представляващи интерес в контекста на квантовата информация, като например студени атоми, йони или чипове, тъй като дължината на вълната ѝ не е същата като тази на въпросните системи. "Нашата група показа в предишна работа, че самите атоми могат да се използват като среда вместо кристал. Ето защо създадохме първия OPO, базиран на рубидиеви атоми, в който два лъча са интензивно квантово свързани, и получихме източник, който би могъл да взаимодейства с други системи с потенциал да служат като квантова памет, като например студени атоми", обяснява Флорес.

Това обаче не е достатъчно, за да се докаже, че лъчите са вплетени. Освен интензитета, фазите на лъчите, които са свързани със синхронизацията на светлинните вълни, също трябва да показват квантови корелации. "Точно това постигнахме в новото изследване, докладвано във Physical Review Letters", посочва той.

"Повторихме същия експеримент, но добавихме нови стъпки за откриване, които ни позволиха да измерим квантовите корелации в амплитудите и фазите на генерираните полета. В резултат на това успяхме да докажем, че те са вплетени. Освен това техниката за откриване ни позволи да наблюдаваме, че структурата на вплитане е по-богата, отколкото обикновено се характеризира. Вместо да бъдат вплетени две съседни ленти от спектъра, това, което всъщност получихме, бе система, състояща се от четири вплетени спектрални ленти."

В този случай са били вплетени амплитудите и фазите на вълните. Това е от основно значение в много протоколи за обработка и предаване на квантово кодирана информация. Освен тези възможни приложения, този вид светлинен източник би могъл да се използва и в метрологията.

"Квантовите корелации на интензитета водят до значително намаляване на флуктуациите на интензитета, което може да повиши чувствителността на оптичните сензори", отбелязва Флорес. "Представете си парти, на което всички говорят, а вие не можете да чуете някого от другата страна на стаята. Ако шумът намалее достатъчно, ако всички спрат да говорят, можете да чуете какво казва някой от голямо разстояние."

Повишаването на чувствителността на атомните магнитометри, използвани за измерване на алфа-вълните, излъчвани от човешкия мозък, е едно от потенциалните приложения, добавя Флорес.

В статията се отбелязва и едно допълнително предимство на рубидиевите OPO пред кристалните OPO.

"Кристалните OPO трябва да имат огледала, които задържат светлината в кухината за по-дълго време, така че взаимодействието да произвежда квантово корелирани лъчи, докато използването на атомна среда, в която двата лъча се произвеждат по-ефективно, отколкото при кристалите, избягва необходимостта от огледала, които да задържат светлината за толкова дълго време", посочва Флорес.

Преди неговата група да проведе това проучване, други групи са се опитвали да направят OPO с атоми, но не са успели да демонстрират квантови корелации в произведените светлинни лъчи. Новият експеримент показа, че в системата няма вътрешно ограничение, което да попречи това да се случи. "Открихме, че температурата на атомите е от ключово значение за наблюдението на квантовите корелации. Очевидно в другите изследвания са използвани по-високи температури, които са попречили на изследователите да наблюдават корелации", коментира Флорес.

Справка: A. Montaña Guerrero et al, Continuous Variable Entanglement in an Optical Parametric Oscillator Based on a Nondegenerate Four Wave Mixing Process in Hot Alkali Atoms, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.163601

Източник: Researchers develop a light source that produces two entangled light beams
José Tadeu Arantes, FAPESP