Физики научились надежно запутывать фотоны

Состояния запутанных частиц неразрывно связаны друг с другом. Когда исследователь проводит измерение и узнает состояние одной из частиц, то он одновременно узнает и состояние другой частицы (или других частиц), спутанной с первой, даже если она находится очень далеко. На сегодня максимальная дистанция, на которой было доказано проявление запутанности, составляет 18 километров.
Ученые активно изучают свойства запутанных частиц, однако до сих пор у физиков нет надежного способа их получения. Чаще всего специалисты запутывают фотоны так: «обычный» квант света (фотон) пропускают сквозь особенным образом подобранную кристаллическую решетку, где он расщепляется на пару запутанных фотонов, каждый из которых обладает по сравнению с «прародителем» половинчатой энергией. Этот способ плох своей ненадежностью — ученые не могут достоверно предсказать, сколько запутанных частиц будет получено.
Авторы новой работы предложили иной подход к производству запутанных фотонов. Он основан на использовании квантовых точек и светодиодов. Квантовая точка — это фрагмент полупроводника настолько малого размера, что в нем начинают проявляться квантовые эффекты. При попадании на квантовую точку света она может испускать запутанные фотоны. Светодиод, в свою очередь, способен производить кванты света под воздействием электрического тока.
Ученые «скрестили» квантовую точку из арсенида индия размером два микрометра и светодиод из арсенида галлия размером 360 микрометров. При подаче на светодиод тока он испускал свет, передающий энергию электронам, которые заполняли положительно заряженные «дырки» в кристаллической решетке квантовой точки. «Лишняя» энергия при этом высвобождалась в форме двух запутанных фотонов.
Плюсом новой технологии является ее простота однако для практического использования она пока не подходит из-за двух главных недостатков. Во-первых, все квантовые точки «работают» только при экстремально низких температурах — около пяти кельвинов (минус 268,15 градуса Цельсия), а во-вторых, пока ученым удается получить запутанные фотоны в одном случае из ста. Авторы намерены в будущем улучшить разработанный ими метод.
Запутанные частицы интересны физикам не только как объекты для изучения фундаментальных взаимодействий. Именно запутанные фотоны должны лечь в основу квантовых компьютеров. Кроме того, запутывание большого числа частиц может помочь в создании мощных микроскопов, способных преодолевать дифракционный предел. Недавно коллектив исследователей предложили алгоритм, который позволяет в теории получать любое число частиц в запутанном состоянии.