Ученые из Национальной лаборатории Сандиа и Института науки о свете имени Макса Планка сообщили об устройстве, которое может заменить целую комнату оборудования для соединения фотонов в причудливом квантовом эффекте, называемом запутанностью. Это устройство - разновидность наноинженерного материала, называемого метаповерхностью, - прокладывает путь для запутывания фотонов сложными способами, которые были невозможны при использовании компактных технологий.

Когда ученые говорят, что фотоны запутаны, они имеют в виду, что они связаны таким образом, что действия одного влияют на другой, независимо от того, где и как далеко друг от друга находятся фотоны во Вселенной. Это эффект квантовой механики, законов физики, которые управляют частицами и другими очень крошечными вещами.

Хотя это явление может показаться странным, ученые использовали его для обработки информации новыми способами. Например, запутанность помогает защитить деликатную квантовую информацию и исправить ошибки в квантовых вычислениях - области, которая когда-нибудь может оказать огромное влияние на национальную безопасность, науку и финансы. Запутанность также позволяет использовать новые, продвинутые методы шифрования для безопасной связи.

Исследование новаторского устройства, которое в сто раз тоньше листа бумаги, частично проводилось в Центре интегрированных нанотехнологий, пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики, которым управляют Сандиа и Лос-Аламосские национальные лаборатории. Команда Сандии получила финансирование от Управления науки, программы фундаментальных энергетических наук.

Свет входит внутрь, запутанные фотоны выходят наружу

Новая метаповерхность действует как дверь к этому необычному квантовому явлению. В некотором смысле это похоже на зеркало в "Зазеркалье" Льюиса Кэрролла, через которое молодая главная героиня Алиса познает странный, новый мир.

Вместо того чтобы проходить через свое новое устройство, ученые просвечивают его лазером. Луч света проходит через ультратонкий образец стекла, покрытый наноразмерными структурами, изготовленными из обычного полупроводникового материала, называемого арсенидом галлия.

"Это скремблирует все оптические поля", - сказал старший научный сотрудник Sandia Игал Бренер, эксперт в области нелинейной оптики, возглавлявший команду Sandia. Иногда, по его словам, пара запутанных фотонов с разными длинами волн выходит из образца в том же направлении, что и входящий лазерный луч.

Бренер сказал, что он в восторге от этого устройства, потому что оно предназначено для создания сложных сетей запутанных фотонов - не только по одной паре за раз, но и по нескольку пар, связанных вместе, и некоторые из них могут быть неотличимы друг от друга. Некоторые технологии нуждаются в этих сложных разновидностях так называемой множественной запутанности для сложных схем обработки информации.

Другие миниатюрные технологии, основанные на кремниевой фотонике, также могут запутывать фотоны, но без столь необходимого уровня сложности, множественной запутанности. До сих пор единственным способом добиться таких результатов было использование множества столов, заполненных лазерами, специализированными кристаллами и другим оптическим оборудованием.

"Это довольно сложно и отчасти неразрешимо, когда для такого многократного переплетения требуется больше двух или трех пар", - сказал Бренер. "Эти нелинейные метаповерхности, по сути, решают эту задачу за один образец, тогда как раньше для этого потребовались бы невероятно сложные оптические настройки".

В научном документе описывается, как команда успешно настроила свою метаповерхность для получения запутанных фотонов с различными длинами волн, что является критическим предшественником одновременной генерации нескольких пар запутанных фотонов.

Однако исследователи отмечают в своей статье, что эффективность их устройства - скорость, с которой они могут генерировать группы запутанных фотонов - ниже, чем у других методов, и нуждается в улучшении.

Что такое метаповерхность?

Метаповерхность - это синтетический материал, который взаимодействует со светом и другими электромагнитными волнами так, как не могут обычные материалы. Коммерческие отрасли, по словам Бренера, заняты разработкой метаповерхностей, потому что они занимают меньше места и могут работать со светом лучше, чем, например, традиционные линзы.

"Теперь вы можете заменить линзы и толстые оптические элементы метаповерхностями", - сказал Бренер. "Эти типы метаповерхностей произведут революцию в потребительских товарах".

Sandia - одно из ведущих учреждений в мире, проводящее исследования в области метаповерхностей и метаматериалов. Благодаря комплексу микросистемной инженерии, науки и приложений, который производит составные полупроводники, и расположенному неподалеку Центру интегрированных нанотехнологий исследователи имеют доступ ко всем специализированным инструментам, необходимым для проектирования, изготовления и анализа этих амбициозных новых материалов.

"Работа была сложной, поскольку требовалась точная технология нанообработки для получения резких узкополосных оптических резонансов, которые являются основой квантового процесса работы", - сказал Сильвен Дженнаро, бывший постдокторант Sandia, который работал над несколькими аспектами проекта.

Устройство было разработано, изготовлено и протестировано в партнерстве между Sandia и исследовательской группой, возглавляемой физиком Марией Чеховой, экспертом по квантовой запутанности фотонов в Институте науки о свете Макса Планка.

"Метаповерхности приводят к смене парадигмы в квантовой оптике, объединяя ультрамалые источники квантового света с далеко идущими возможностями для разработки квантовых состояний", - сказал Томас Сантьяго-Круз, член команды Макса Планка и первый автор статьи.

Бренер, который изучал метаматериалы более десяти лет, сказал, что это новейшее исследование, возможно, может вызвать вторую революцию - ту, которая рассматривает эти материалы не только как новый вид линз, но и как технологию для квантовой обработки информации и других новых применений.

"Была одна волна с метаповерхностями, которая уже хорошо зарекомендовала себя и находится в пути. Возможно, грядет вторая волна инновационных приложений", - сказал он.

Sandia National Laboratories - это многопрофильная лаборатория, управляемая компанией National Technology and Engineering Solutions of Sandia LLC, дочерней компанией Honeywell International Inc., полностью принадлежащей Национальному управлению ядерной безопасности Министерства энергетики США. Sandia Labs отвечает за основные исследования и разработки в области ядерного сдерживания, глобальной безопасности, обороны, энергетических технологий и экономической конкурентоспособности, с основными объектами в Альбукерке, Нью-Мексико, и Ливерморе, Калифорния.