Физики продемонстрировали, как можно целенаправленно создавать свет на квантовом уровне в пространстве и времени, формируя многомерные квантовые состояния.
Тщательно контролируя пространственный узор фотона, его временные характеристики и спектр, специалисты Университета Витватерсранда в Южной Африке совместно с коллегами из Автономного университета Барселоны разрабатывают так называемые структурированные фотоны — частицы света, которые созданы под определенную задачу.
Эти «индивидуально созданные» фотоны открывают новые горизонты для квантовой связи высокой емкости и квантовых технологий следующего поколения. Главное их преимущество заключается в том, что каждый структурированный фотон способен нести больше данных и лучше справляться с помехами — это делает технологию особенно привлекательной для защищенных систем квантовой коммуникации.
«Настройка квантовых состояний, когда квантовый свет создается для конкретной цели, в последнее время набрала популярность и начинает раскрывать свой полный потенциал, — отмечает соавтор исследования, профессор Университета Витватерсранда Эндрю Форбс. — Два десятилетия назад инструменты для этого почти отсутствовали. Сегодня у нас есть компактные и эффективные источники структурированного квантового света на чипах, способные создавать и контролировать квантовые состояния».
Среди технологий, которые превращают структурированные квантовые состояния из лабораторных идей в практические системы, — интегрированная фотоника на чипах, нелинейная оптика и многоплоскостное преобразование света. Эти методы используются в визуализации, сенсорике и квантовых сетях.
Тем не менее, реальные условия все еще создают сложности. Некоторые каналы связи не очень подходят для пространственно структурированных фотонов, что ограничивает дальность передачи сигнала. «Хотя мы достигли впечатляющих результатов, серьезные проблемы остаются, — отмечает Форбс. — Дальность передачи структурированного света, как классического, так и квантового, остается крайне низкой. Однако именно это побуждает нас исследовать новые параметры, в частности, топологические свойства фотонов».
Чтобы преодолеть это ограничение, физики изучают способы введения в квантовые состояния топологических свойств, которые делают квантовую информацию более устойчивой к помехам. «Мы недавно продемонстрировали, что квантовые волновые функции естественным образом имеют потенциал быть топологическими, и это обещает сохранение квантовой информации, даже если запутанность хрупка», — добавляет Форбс.
Современные лаборатории уже переходят от теоретических расчетов к созданию компактных устройств: разрабатываются микрочипы, способные создавать и анализировать многомерные квантовые состояния, а новые методы сверхбыстрого формирования импульсов позволяют управлять светом почти как музыкальной мелодией. Все это приближает к созданию квантовых сетей нового поколения — устойчивых, безопасных и невероятно емких.
Фото: hi-tech.mail.ru