Дослідники з Техніон-Ізраїльського технологічного інституту відкрили нову форму квантової заплутаності, що виникає в сумарному кутовому імпульсі фотонів у нанорозмірних структурах, відкриваючи шлях до створення мініатюрних квантових пристроїв майбутнього.

Квантовий прорив у наномасштабі

Відкриття сталося на неймовірно малих масштабах. Науковці працювали з нанорозмірними структурами, що складають лише тисячну частину ширини людської волосини. Такі мініатюрні розміри відкривають нові можливості для квантових технологій.

Результати дослідження опубліковано в престижному науковому журналі Nature. Робота проводилася під керівництвом аспіранта Аміта Кама та доктора Шая Цессеса з дослідницької групи професора Гая Бартала. У ній брали участь кілька наукових колективів Техніону.

Це відкриття стало першою новою формою квантової заплутаності за понад 20 років. Воно може мати революційне значення для майбутнього квантових комунікацій і обчислень. Мініатюризація квантових компонентів наближає нас до практичного застосування цих технологій.

Історичний контекст квантової заплутаності

Квантова заплутаність – це явище, що колись здавалося абсурдним навіть Альберту Ейнштейну. Він назвав його “моторошною дією на відстані”. Ейнштейн разом із Борисом Подольським і Натаном Розеном описали це явище в своїй роботі 1935 року, відомій як ЕПР-парадокс.

Суть заплутаності полягає в тому, що знання стану однієї частинки миттєво впливає на стан іншої частинки, незалежно від відстані між ними. Це відбувається без фізичної взаємодії та передачі інформації, що суперечить класичній фізиці.

Згодом професор Ашер Перес з Техніону разом з колегами показав, що цю властивість можна використовувати для квантової телепортації. Ця концепція лежить в основі квантового зв’язку. За дослідження квантової заплутаності вчені отримали Нобелівську премію з фізики 2022 року.

Особливості нанофотоніки та нової форми заплутаності

Коли фотони рухаються у звичайному просторі, їхні властивості можна легко розділити. Кутовий момент фотона складається зі спіну (пов’язаного з обертанням електричного поля) та орбітального моменту (пов’язаного з рухом фотона у просторі). Це схоже на обертання Землі навколо своєї осі та її рух орбітою навколо Сонця.

Однак у нанорозмірних структурах ситуація змінюється радикально. Коли фотони обмежені простором, меншим за їхню довжину хвилі, розділити різні обертальні властивості стає неможливо. Фотон характеризується єдиною величиною – повним кутовим моментом.

Дослідники Техніону виявили, що саме ця властивість – повний кутовий момент – може бути основою для нового типу квантової заплутаності. Вони простежили шлях фотонів від моменту введення в нанорозмірну систему до виходу з вимірювальної системи.

Переваги мініатюризації квантових систем

Мініатюризація квантових систем має дві суттєві переваги. Перша – це зменшення розмірів пристроїв, що дозволяє розмістити більше компонентів на меншій площі. Це нагадує еволюцію електронних схем від великих ламп до мікрочіпів.

Друга, важливіша перевага – посилення взаємодії між фотонами та матеріалом. Коли фотони обмежені нанорозмірними структурами, їхня взаємодія з навколишнім середовищем стає інтенсивнішою. Це дозволяє створювати явища, неможливі для фотонів звичайних розмірів.

У серії експериментів науковці склали карту квантових станів фотонів у нанорозмірних системах. Вони виявили властивість, унікальну для таких систем, і підтвердили відповідність між парами фотонів. Ця відповідність вказує на квантову заплутаність нового типу.

Перспективи для квантових технологій

Відкриття нової форми квантової заплутаності відкриває шлях до створення інноваційних квантових пристроїв. Ця технологія може стати основою для розробки мініатюрних квантових комп’ютерів та систем зв’язку.

Дослідження підтримували кілька престижних наукових інституцій. Серед них – Управління інновацій (програма Magnet), Ізраїльський науковий фонд, Інститут нанотехнологій Рассела Беррі та Квантовий центр Хелен Діллер.

Технологія квантової заплутаності в нанорозмірних структурах може революціонізувати обчислювальну техніку та комунікації. Вона дозволить створювати надзвичайно компактні квантові пристрої з унікальними можливостями, недоступними для класичних систем.

Ця робота демонструє, як дослідження на межі фізики, інженерії та матеріалознавства можуть призвести до проривних відкриттів. Вона також підкреслює важливість фундаментальних досліджень для розвитку технологій майбутнього.