По мере роста спроса на более безопасную передачу данных традиционные технологии связи сталкиваются с ограничениями, налагаемыми классической физикой, и поэтому приближаются к своим пределам в плане безопасности. Квантовая связь может помочь нам преодолеть эти ограничения.
Квантовая связь использует квантовую природу света, применяя одиночные фотоны в качестве носителей информации. Это принципиально отличается от традиционных технологий связи и может привести к разработке защищённых и высокопроизводительных систем связи.
Для будущих квантовых технологий потребуются новые источники одиночных фотонов. Недавно чрезвычайно тонкие двумерные полупроводники толщиной всего в несколько атомных слоёв продемонстрировали большой потенциал благодаря своим превосходным электрическим и оптическим свойствам. Хотя повышение эффективности генерации таких фотонов крайне важно, возможности этих материалов и стратегии их использования ещё не изучены до конца.
Группа исследователей из Киотского университета решила изучить, может ли полупроводник в однослойном диселениде вольфрама, в который они ввели единственный дефект, связывать экситоны — электронно-дырочные пары — с дефектом и излучать только один фотон. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
Чтобы реализовать эту идею, команда подготовила образец монослойного диселенида вольфрама, нагревая его для введения небольшого количества дефектов и искусственного нарушения кристаллической симметрии, что привело к появлению двух различных пиков люминесценции, представляющих яркие и тёмные экситоны.
Исследователи измерили люминесценцию и фотонную корреляцию при температуре около -265 °C, применяя внешнее магнитное поле для управления излучением. Они обнаружили, что интенсивность излучения значительно увеличилась даже при относительно слабом магнитном поле.
Используя измерения фотонной корреляции, команда также наблюдала, что излучаемый свет демонстрировал антибункинг фотонов, указывая на то, что фотоны излучаются по одному. Это говорит о том, что даже под действием магнитного поля он может функционировать как источник одиночных фотонов, и что магнитное поле может повысить эффективность генерации одиночных фотонов.
«Это важно, поскольку показывает, что излучение одиночных фотонов можно генерировать и управлять им с помощью внешнего магнитного поля в двумерном полупроводнике, что делает его перспективной платформой для разработки защищённых, эффективных и компактных квантовых информационных устройств», — говорит руководитель группы Казунари Мацуда.
Новое микроскопическое устройство создаёт 3D-привидения изображений наночастиц с помощью запутанных фотонов
Привидение-изображение — это как игра в «Морской бой». Вместо того чтобы видеть объект напрямую, учёные используют запутанные фотоны, чтобы убрать фон и выявить его силуэт. Этот метод можно использовать для изучения микроскопических сред без сильного освещения, что полезно для предотвращения фотоповреждений биологических образцов.
До сих пор квантовое привидение-изображение было ограничено двумя измерениями или двумя плоскостями в фиксированных положениях z. В новом исследовании, опубликованном в Optica, учёные из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) разработали 3D-микроскоп для квантового приведения-изображения — первый в своём роде.
«Это новый способ 3D-визуализации, который может делать то, что более чувствительно, и собирать больше информации без необходимости сканирования образца», — сказал учёный LLNL и автор Одри Эшун.
Метод работает на основе квантового явления запутанности. Лазер освещает кристалл, который генерирует пары фотонов, запутанные или связанные вместе в пространстве и времени. Эти пары попадают в зеркало, которое разделяет их: один, называемый «сигнальным» фотоном, поворачивает влево к образцу, а другой, «холостой» фотон, продолжает движение прямо к детектору, похожему на камеру.
Холостые фотоны, которые не взаимодействуют с образцом, формируют на детекторе равномерное, безликое изображение. Тем временем сигнальные фотоны проходят через объектив микроскопа, который собирает и фокусирует их на образце. В этом случае авторы рассмотрели кластеры металлических наночастиц.
Образец наклонён под углом 45 градусов относительно падающих фотонов. Когда фотоны попадают в него, они рассеиваются во всех направлениях. Другой объектив микроскопа, расположенный под прямым углом к падающему свету, собирает рассеянные фотоны и направляет их на второй детектор. Эта камера фиксирует стандартный снимок плоскости y-z наночастиц.
Оба детектора измеряют точное время прибытия каждого фотона. Сопоставляя временные метки пар фотонов, обнаруженных обоими камерами, исследователи могут определить, какие холостые фотоны соответствуют сигнальным фотонам, которые взаимодействовали с образцом. Они удаляют каждый второй фотон из безликого изображения холостого фотона, выявляя призрачное изображение плоскости x-y образца.
«Стандартное изображение имеет координаты y и z и время для каждого пикселя, а призрачное изображение имеет координаты x и y и время для каждого пикселя», — сказал Эшун. «Сгруппировав все фотоны, имеющие одинаковую временную метку, мы можем определить положение x, y и z для каждого фотона. Эти координаты затем можно нанести на график, чтобы сформировать 3D-изображение».
Физики показывают, что тензорные мезоны играют важную роль в рассеянии света на свете
Обычно световые волны могут проходить друг через друга без какого-либо сопротивления. Согласно законам электродинамики, два световых луча могут существовать в одном и том же месте, не влияя друг на друга; они просто перекрываются. Бои на световых мечах, как показано в научно-фантастических фильмах, были бы довольно скучными в реальности.
Тем не менее квантовая физика предсказывает эффект «рассеяния света на свете». Обычные лазеры недостаточно мощны, чтобы обнаружить его, но это наблюдалось в ускорителе частиц CERN. Виртуальные частицы могут буквально возникать из ничего на короткое время, взаимодействовать с фотонами и изменять их направление. Эффект чрезвычайно мал, но его необходимо точно понять, чтобы проверить теории физики элементарных частиц с помощью текущих высокоточных экспериментов с мюонами.
Команда из TU Wien (Вена) теперь смогла показать, что важную роль играет ранее недооценённый аспект: вклад так называемых тензорных мезонов. Новые результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Когда фотоны взаимодействуют с фотонами, могут создаваться виртуальные частицы. Их нельзя измерить напрямую, поскольку они тут же исчезают. В каком-то смысле они постоянно присутствуют и отсутствуют одновременно — квантовая физика допускает такие суперпозиции состояний, которые были бы взаимоисключающими согласно нашему классическому повседневному пониманию.
«Хотя эти виртуальные частицы нельзя наблюдать напрямую, они оказывают измеримое влияние на другие частицы», — говорит Джонас Магер из Института теоретической физики TU Wien, ведущий автор исследования. «Если вы хотите точно рассчитать, как ведут себя реальные частицы, вы должны правильно учитывать все мыслимые виртуальные частицы. Вот почему эта задача так сложна — но и так интересна».
Когда свет рассеивается от света, фотон может трансформироваться, например, в электрон-позитронную пару. Другие фотоны могут затем взаимодействовать с этими двумя частицами, прежде чем электрон и позитрон аннигилируют друг друга и станут новым фотоном. Всё усложняется, когда создаются более тяжёлые частицы, которые также подвержены сильным ядерным взаимодействиям, например, мезоны, состоящие из кварка и антикварка.
«Существуют разные типы этих мезонов», — говорит Магер. «Мы смогли показать, что один из них, тензорные мезоны, был значительно недооценён. Благодаря эффекту рассеяния света на свете они влияют на магнитные свойства мюонов, что можно использовать для проверки Стандартной модели физики элементарных частиц с чрезвычайной точностью».
Тензорные мезоны действительно фигурировали в более ранних расчётах, но с очень грубыми упрощениями. В новой оценке их вклад оказался намного сильнее, чем предполагалось ранее, и имеет другой знак, чем предполагалось ранее, что влияет на результаты в противоположном направлении.
Этот результат также устраняет несоответствие, возникшее в прошлом году между последними аналитическими расчётами и альтернативными компьютерными симуляциями. «Проблема в том, что обычные аналитические расчёты могут описать сильные взаимодействия кварков только в предельных случаях», — говорит Антон Ребхан (TU Wien).
Команда TU Wien использовала нетрадиционный метод — голографическую квантовую хромодинамику. Это включает в себя отображение процессов в четырёх измерениях (то есть трёх пространственных измерениях и одном временном измерении) на пятимерное пространство с гравитацией. Некоторые проблемы можно решить более легко в этом другом пространстве, а результаты затем преобразуются обратно.
«Тензорные мезоны могут быть отображены на пятимерные гравитоны, для которых теория гравитации Эйнштейна делает чёткие предсказания», — объясняет Ребхан. «Теперь у нас есть компьютерные симуляции и аналитические результаты, которые хорошо сочетаются друг с другом, но отклоняются от некоторых предыдущих предположений. Мы надеемся, что это также придаст новый импульс ускорению уже запланированных конкретных экспериментов с тензорными мезонами».
Эти анализы важны для одного из самых больших вопросов в физике: насколько надёжна Стандартная модель физики элементарных частиц? Это общепринятая квантово-физическая теория, которая описывает все известные типы частиц и все силы природы — кроме гравитации.