Год квантовых открытий ознаменован появлением множества новых научных работ в области квантовых исследований, и постепенно они заполняют пробелы в том, что уже известно, и могут оказаться полезными для нашего будущего.
Физики впервые наблюдали квантовую запутанность «полного углового момента» световых частиц в наноструктурах. Это открытие может иметь значение для компонентов квантовой коммуникации и вычислений следующего поколения.
Квантовая запутанность — это эффект, при котором запутанные частицы могут мгновенно обмениваться информацией и находиться в едином квантовом состоянии независимо от расстояния между ними. Это неотъемлемая часть квантовой коммуникации посредством так называемой «квантовой телепортации», при которой квантовая информация может мгновенно передаваться между устройствами.
Было показано, что фотоны — частицы света — проявляют квантовую запутанность различными способами. Физики запутывали фотоны, разделяя направление движения, цвет и направление электрического поля.
Но новое исследование, опубликованное в журнале Nature, впервые демонстрирует запутанность полного углового момента фотонов.
Угловой момент — это момент, связанный с вращением. В квантовой механике угловой момент может принимать разные формы, которые можно представить (хотя физика сильно отличается) как движение Земли в пространстве.
Существуют два типа квантового углового момента: спин, связанный с вращением электрического поля частицы (это можно представить как вращение Земли), и орбитальный угловой момент, связанный с вращением частицы в пространстве (это можно представить как орбиту Земли вокруг Солнца).
Когда фотоны помещаются в структуры, меньшие, чем длина волны фотона, эти два свойства проявляются как одно: полный угловой момент (ПУМ).
Возможность помещать фотоны в меньшие пространства полезна для миниатюризации устройств и усиления взаимодействия между фотоном и материалом, через который он проходит, что позволяет создавать различные явления.
Новое исследование показывает, что фотоны, помещённые в наноструктуры, тысячекратно меньшие, чем ширина человеческого волоса, становятся запутанными по своему ПУМ.
Это первый случай обнаружения нового типа квантовой запутанности за более чем 20 лет.
«Мы наблюдаем, что запутанность по ПУМ приводит к совершенно иной структуре квантовых корреляций пар фотонов по сравнению с запутанностью, связанной с двумя составляющими угловыми моментами», — пишут авторы. «Эта работа открывает путь для обработки квантовой информации на чипе с использованием ПУМ фотонов в качестве кодирующей характеристики квантовой информации».