Учени откриха нова форма на квантово заплитане за първи път от 20 години

Изследователи от Технион-Израелския технологичен институт откриха нова форма на квантово заплитане, възникващо в комбинирания ъглов импулс на фотони в наноразмерни структури, отваряйки пътя към миниатюрните квантови устройства на бъдещето.

Откритието се случва в невероятно малък мащаб. Учените са работили с наномащабни структури, които са само една хилядна от ширината на човешки косъм. Такива миниатюрни размери отварят нови възможности за квантовите технологии.

Резултатите от изследването са публикувани в престижното научно списание Nature. Работата е ръководена от докторанта Амит Кам и д-р Шай Цесес от изследователската група на професор Гай Бартал. В него са взели участие няколко изследователски екипа от Технион.

Откритието бележи първата нова форма на квантово заплитане от повече от 20 години. Това може да има революционни последици за бъдещето на квантовите комуникации и компютрите. Миниатюризацията на квантовите компоненти ни доближава до практическите приложения на тези технологии.

Исторически контекст на квантовото заплитане

Квантовото заплитане е феномен, който някога е изглеждал абсурден дори на Алберт Айнщайн. Той го нарече „призрачно действие от разстояние„. Айнщайн, заедно с Борис Подолски и Нейтън Розен, описват този феномен в своята статия от 1935 г., известна като EPR-парадокс.

Същността на заплитането е, че знанието за състоянието на една частица незабавно влияе върху състоянието на друга частица, независимо от разстоянието между тях. Това се случва без физическо взаимодействие и пренос на информация, което противоречи на класическата физика.

Впоследствие професор Ашер Перес от Технион и неговите колеги са показали, че това свойство може да се използва за квантова телепортация. Тази концепция стои в основата на квантовата комуникация. Учените получиха Нобеловата награда за физика през 2022 г. за изследването си на квантовото заплитане.

Характеристики на нанофотониката и новата форма на заплитане

Когато фотоните се движат в обикновеното пространство, техните свойства могат лесно да бъдат разделени. Ъгловият момент на фотона се състои от спин (свързан с въртенето на електрическото поле) и орбитален ъглов момент (свързан с движението на фотона в пространството). Това е подобно на въртенето на Земята около нейната ос и движението ѝ по орбита около Слънцето.

Но в наномащабните структури ситуацията се променя радикално. Когато фотоните са ограничени в пространството с по-малка дължина на вълната, става невъзможно да се разделят различните въртящи свойства. Фотонът се характеризира с една единствена величина – пълният ъглов момент.

Изследователите на Technion са открили, че именно това свойство — пълният ъглов момент — може да формира основата на нов тип квантово заплитане. Проследили са пътя на фотоните от момента, в който влязат в наномащабната система до момента, в който излизат от измервателната система.

Ползи от миниатюризацията на квантовите системи

Миниатюризацията на квантовите системи има две значителни предимства. Първият е намаляването на размера на устройствата, което позволява поставянето на повече компоненти на по-малка площ. Това е като еволюцията на електронните схеми от големи лампи до микрочипове.

Второто, по-важно предимство е засиленото взаимодействие между фотоните и материала. Когато фотоните са ограничени до наномащабни структури, тяхното взаимодействие с околната среда става по-интензивно. Това позволява създаването на явления, които са невъзможни за фотоните с нормални размери.

В поредица от експерименти учените са картографирали квантовите състояния на фотоните в наномащабни системи. Открито е свойство, уникално за подобни системи, и е потвърдено съответствието между двойките фотони. Това съответствие показва нов тип квантово заплитане.

Перспективи за квантовите технологии

Откриването на нова форма на квантово заплитане отваря пътя към създаването на иновативни квантови устройства. Тази технология може да стане основа за разработването на квантови миниатюрни компютри и комуникационни системи.

Изследването е подкрепено от няколко престижни научни институции. Те включват Израелския орган за иновации (програма Magnet), Израелски научен фонд, Института Ръсел Бери за нанотехнологии и Квантовия център Хелън Дилер.

Технологията на квантово заплитане в наномащабни структури може да революционизира компютърните технологии и комуникациите. Той ще направи възможно създаването на много компактни квантови устройства с уникални възможности, които не са достъпни за класическите системи.

Тази работа демонстрира как изследването на границата между физика, инженерство и наука за материалите може да доведе до революционни открития. Тя също така подчертава значението на фундаменталните изследвания за развитието на бъдещи технологии.