Ученые создадут идеальный "квантовый" лазер: в чем его секрет и когда его получат военные

Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) выделило грант в 1 млн долларов ученым из Вашингтонского университета в Сент-Луисе на создание прототипа "квантового фотонно-димерного лазера". Устройство будет использовать квантовую запутанность для "склеивания" частиц света и генерации высококонцентрированного лазерного луча, пишет Live Science.

Обычные лазеры работают, когда электроны в атомах колеблются в унисон. Когда такие электроны переходят из состояния с высокой энергией в состояние с низкой энергией, они испускают свет, называемый "когерентным", т. е. имеющим одинаковую длину волны и фазу. Когда этот свет отражается от зеркал внутри лазерного устройства, он преобразуется в концентрированный лазерный луч. Но, используя запутанные фотоны, квантовый фотонно-димерный лазер сможет сохранять точность и мощность на больших расстояниях и в неблагоприятных условиях, говорится в заявлении ученых. Таким образом, квантовые лазеры могут обеспечить лучшую производительность для военных приложений, таких как наблюдение, безопасная связь.

Фотоны кодируют информацию, когда поступают в атмосферу, но проблема в том, что фотоны страдают от воздействия атмосферы и информация теряется. Однако связанные фотоны способны защитить друг друга, поэтому некоторая информация может быть сохранена, пояснили исследователи. Двухцветный фотонный димерный лазер работает путем связывания пар фотонов — фундаментальных частиц, которые представляют собой мельчайшие строительные блоки электромагнитного излучения — посредством процесса, называемого квантовой запутанностью. Квантовая запутанность — сложное явление в области квантовой механики, которое возникает, когда две, или более, частицы соединяются между собой таким образом, что одна частица влияет на состояние другой, независимо от расстояния между ними.

По словам ученых, когда два фотона соединяются друг с другом посредством квантовой запутанности, они создают так называемые фотонные димеры. Этими парами фотонов легче манипулировать, поскольку они действуют как единое целое, и любое изменение, примененное к одному фотону, напрямую влияет на другой. Такое связывание световых частиц увеличивает энергию и стабильность лазера, улучшая его работу на больших расстояниях и в неблагоприятных условиях, таких как экстремальные температуры и туман.

Предыдущие работы команды из Вашингтонского университета показали, как можно использовать технологию квантового фотонно-димерного лазера для улучшения глубокой визуализации мозга. В своих исследованиях ученые использовали фотонные димеры для картирования сложных нейронных структур.

Эта технология также может сыграть роль в квантовых вычислениях и телекоммуникациях, что, возможно, приведет к созданию более быстрых и безопасных способов передачи данных.