Явления квантового мира, которые часто кажутся причудливыми с точки зрения обычного повседневного мира, уже давно нашли свое применение в технологии. Например, запутанность: квантово-физическая связь между частицами, которая странным образом связывает их на сколь угодно больших расстояниях. Он может быть использован, например, в квантовом компьютере - вычислительной машине, которая, в отличие от обычного компьютера, может выполнять множество математических операций одновременно. Однако для того, чтобы использовать квантовый компьютер с пользой, большое количество запутанных частиц должно работать вместе. Они являются базовыми элементами для вычислений, так называемыми кубитами.

"Фотоны, частицы света, особенно хорошо подходят для этого, потому что они устойчивы по своей природе и ими легко манипулировать", - говорит Филип Томас, докторант Института квантовой оптики Макса Планка (MPQ) в Гархинге близ Мюнхена. Вместе с коллегами из отдела квантовой динамики во главе с проф. Герхарду Ремпе теперь удалось сделать важный шаг к тому, чтобы сделать фотоны пригодными для технологических приложений, таких как квантовые вычисления: впервые команда сгенерировала до 14 запутанных фотонов определенным образом и с высокой эффективностью.

Один атом как источник фотонов

"Хитрость этого эксперимента заключалась в том, что мы использовали один атом для излучения фотонов и переплетения их очень специфическим образом", - говорит Томас. Чтобы сделать это, исследователи Макса Планка поместили атом рубидия в центр оптического резонатора - своего рода эхо-камеры для электромагнитных волн. С помощью лазерного излучения определенной частоты можно было бы точно определить состояние атома. Используя дополнительный управляющий импульс, исследователи также специально запустили излучение фотона, который связан с квантовым состоянием атома.

"Мы повторили этот процесс несколько раз и в заранее определенной манере", - сообщает Томас. В промежутках с атомом определенным образом манипулировали - на техническом жаргоне: поворачивали. Таким образом, удалось создать цепочку из 14 легких частиц, которые были запутаны друг с другом вращениями атомов и приведены в желаемое состояние. "Насколько нам известно, 14 взаимосвязанных световых частиц - это наибольшее количество запутанных фотонов, которые до сих пор были сгенерированы в лаборатории", - подчеркивает Томас.

Детерминированный процесс генерации

Но не только количество запутанных фотонов знаменует собой важный шаг на пути к созданию мощных квантовых компьютеров - способ их генерации также сильно отличается от обычных методов. "Поскольку цепочка фотонов возникла из одного атома, ее можно было создать детерминированным способом", - объясняет Томас. Это означает: в принципе, каждый управляющий импульс фактически доставляет фотон с желаемыми свойствами. До сих пор запутывание фотонов обычно происходило в специальных нелинейных кристаллах. Недостаток: там частицы света, по сути, создаются случайным образом и таким образом, которым невозможно управлять. Это также ограничивает количество частиц, которые могут быть объединены в коллективное состояние.

С другой стороны, метод, используемый командой Гарчинга, позволяет генерировать практически любое количество запутанных фотонов. Кроме того, метод особенно эффективен - еще один важный показатель для возможных будущих технических применений: "Измеряя производимую цепочку фотонов, мы смогли доказать эффективность почти в 50 процентов", - говорит Филип Томас. Это означает: почти каждое второе "нажатие кнопки" на атоме рубидия доставляло полезную частицу света - гораздо больше, чем было достигнуто в предыдущих экспериментах. "В целом, наша работа устраняет давнее препятствие на пути к масштабируемым квантовым вычислениям, основанным на измерениях", - подводит итоги директор департамента Герхард Ремпе.

Больше места для квантовой связи

ученые из MPQ хотят устранить еще одно препятствие. Сложные вычислительные операции, например, потребовали бы, по крайней мере, двух атомов в качестве источников фотонов в резонаторе. Квантовые физики говорят о двумерном кластерном состоянии. "Мы уже работаем над решением этой задачи", - рассказывает Филип Томас. Исследователь Макса Планка также подчеркивает, что возможные технические приложения выходят далеко за рамки квантовых вычислений: "Другим примером применения является квантовая коммуникация" - защищенная от прослушивания передача информации, например, с помощью света по оптическому волокну. Там свет испытывает неизбежные потери во время своего распространения из-за оптических эффектов, таких как рассеяние и поглощение, что ограничивает расстояние, на которое могут передаваться данные. Используя метод, разработанный в Гарчинге, квантовая информация может быть упакована в запутанные фотоны, а также выдерживать определенное количество потерь света - и обеспечивать безопасную связь на больших расстояниях.