Вчені виявили новий тип квантової заплутаності

Зізнайтеся, світ квантової механіки часом здається справжньою головоломкою, яка підкидає ідеї, які змушують засумніватися у звичній картині реальності. Пам’ятаєте знамениту Ейнштейнівську «жахливу далекодіяльність»? Ідею, що дві частинки, рознесені хоч на світлові роки, можуть залишатися таємниче пов’язаними: вимірюєш одну — і миттєво знаєш стан іншої. Сам Ейнштейн, треба сказати, був не в захваті від такої перспективи, що здавалася йому абсурдною.

Але наука, знаєте, жінка вперта. Те, що здавалося «страшним», не тільки підтвердилося експериментально, а й лягло в основу технологій майбутнього — квантового зв’язку та обчислень. За дослідження цього явища, названого квантовою заплутаністю, нещодавно вручили Нобелівську премію. І ми начебто вже звикли, що частинки світла, фотони можуть бути заплутані за напрямом польоту, кольором (частотою) або поляризації — напрямом коливань їхнього електричного поля.

Навіть екзотичніші властивості, на зразок кутового моменту, піддалися цьому дивному квантовому «зчепленню». Уявіть собі: фотон має щось на зразок власного обертання (спин) і обертання навколо осі поширення (орбітальний кутовий момент). Приблизно як у нашої Землі, яка крутиться навколо своєї осі і одночасно летить орбітою навколо Сонця. Донедавна вважалося, що ці два типи обертання — речі різні, і заплутувати фотони можна було або одним, або іншим.

Коли менше означає більше (і важче!)

Але що, якщо загнати світло в по-справжньому тісні межі? У структурі настільки крихітні, що їх розмір менший за довжину хвилі самого світла? Це область нанофотоніки — цілий напрямок науки, який прагне керувати світлом на масштабах, які вимірюються нанометрами (мільярдними частками метра). Для чого це потрібно? Ну, по-перше, мініатюризація. Чим менше компоненти, тим більше їх можна вмістити на чіпі, тим потужнішими і компактнішими будуть майбутні квантові пристрої. Аналогія з електронними мікросхемами тут цілком доречна.

А по-друге, і це, мабуть, навіть важливіше — у таких наноструктурах світло починає набагато активніше взаємодіяти з речовиною. Це відкриває дорогу до нових фізичних ефектів, недосяжних у «макросвіті».

І ось тут дослідники з Техніону (Ізраїльського технологічного інституту), під керівництвом Аміта Кама і Шая Цессеса, натрапили на щось зовсім нове. Виявилося, що в наномасштабі звичний поділ на спину і орбітальний момент втрачає сенс. Ці дві властивості хіба що зливаються воєдино, утворюючи повний кутовий момент фотона. І поділити їх уже неможливо. Уявіть, що Земля раптом стала такою маленькою, що її обертання навколо осі і рух по орбіті стали невиразними — є лише загальний обертальний рух.

Заплутаність нового сорту

У чому суть відкриття, опублікованого в престижному журналі Nature. Вчені не просто констатували факт злиття кутових моментів. Вони пішли далі. Їм вдалося створити та виміряти квантову заплутаність фотонів саме за цим повним кутовим моментом — властивістю, яка проявляється виключно у нанорозмірних системах!

Уявіть собі експеримент: фотони пропускають через спеціально створену наноструктуру, розміром у тисячу разів меншу за товщину людського волосся. На виході вимірюють характеристики. Дослідники змогли не лише простежити, як змінюються стани фотонів при проходженні цієї структури, а й підтвердити: пари фотонів виявляються пов’язаними (заплутаними) саме за повним кутовим моментом. Вимірювання цього параметра одного фотона миттєво визначало його значення в іншого, як і належить при заплутаності.

Чому так важливо?

Здавалося б, ще один тип заплутаності, що з того? А справа в тому, що це перше відкриття нового типу квантової заплутаності за останні два десятиліття! Це не просто чергова галочка у списку відомих квантових феноменів. Це відкриття розширює наш інструментарій для роботи з квантовою інформацією.

Подумайте самі: якщо ми хочемо створювати компактні та ефективні квантові пристрої, нам потрібно вміти працювати зі світлом саме на нанорівні. І тепер у нас є новий «важіль» управління — заплутаність за повним кутовим моментом, властивість, народжена самим цим наномасштабом.

Це відкриває нові перспективи для проектування компонентів квантових комп’ютерів і систем квантового зв’язку. Можливість використання унікальних властивостей фотонів у наноструктурах може призвести до значного стрибка в мініатюризації та ефективності квантових технологій.

То що далі? Поки що це фундаментальне дослідження, але воно закладає основу для майбутніх інженерних рішень. Шлях від лабораторного відкриття до працюючого пристрою неблизький, але напрямок задано. І хто знає, можливо, саме ця «нано-заплутаність» стане ключем до квантових технологій, які сьогодні здаються нам такою ж фантастикою, якою колись здавалася «жахлива далекодія». Світ квантів продовжує дивувати!