Содержание
Физики построили первый универсальный генератор запутанных фотонов
Китайские физики построили первый генератор запутанных фотонов, который удовлетворяет четырем ключевым критериям: работает только «по требованию», создает фотоны с высокой степенью запутанности, неразличимости и эффективности. До этого ученым удавалось добиться только трех из этих критериев. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.
Запутанные фотоны — пара частиц, которые находятся в скоррелированных квантовых состояниях, — играют в современной физике очень важную роль. С одной стороны, благодаря запутанным фотонам удалось доказать нелокальность квантовой механики, то есть отсутствие «скрытых параметров», предложенных Альбертом Эйнштейном. С другой стороны, без запутанных пар практически невозможно реализовать квантовую связь и квантовую телепортацию, а также построить квантовые компьютеры, соединенные с квантовым интернетом.
Кроме того, с помощью запутанных частиц можно повысить точность измерений и ускорить сбор информации о системе (эти возможности изучает квантовая метрология).
Для всех этих целей важно качество запутанных фотонов, которое определяется следующими четырьмя факторами. Во-первых, генератор должен производить фотоны, квантовое состояние которых совпадает с максимально запутанным состоянием Белла. Степень этого совпадения измеряется параметром «верности» (fidelity): для запутанных состояний этот параметр равен единице, для абсолютно случайных состояний — нулю. Во-вторых, генератор должен генерировать фотоны «по требованию» (on-demand generation), то есть испускать только одну запутанную пару за раз и включаться только в те моменты, когда это нужно для опыта. В-третьих, все испущенные фотоны должны быть извлечены из источника и собраны с высокой степенью эффективности. Другими словами, они не должны поглощаться и теряться внутри генератора. Наконец, запутанные фотоны, испущенные генератором в разные моменты времени, должны быть абсолютно неразличимыми.
Если какое-то из этих условий нарушено, физикам приходится искусственно его восстанавливать, отсеивая лишние фотоны. Это усложняет установку и уменьшает число эффективно производимых запутанных пар.
К сожалению, до последнего времени не существовало генератора запутанных фотонов, который удовлетворял бы всем четырем требованиям. Более того, генератор, который удовлетворяет хотя бы трем из четырех требований, удалось построить только в прошлом году. Для этого группа физиков под руководством Цзянь-Вэй Паня (Jian-Wei Pan) использовала процесс спонтанного параметрического рассеяния (подробности можно найти в методичке Алексея Калачёва). Настраивая параметры среды, ученым удалось добиться сравнительно высокой «верности» (57 процентов), эффективности (97 процентов) и неразличимости (96 процентов). К сожалению, в ходе спонтанного параметрического рассеяния запутанные пары рождаются случайно, а не «по требованию», и сопровождаются большим потоком нежелательных незапутанных пар. Поэтому в тот раз исследователи не смогли выполнить второе условие.
В новой же статье группа Паня впервые описывает генератор запутанных фотонов, которые удовлетворяют всем четырем необходимым условиям. На этот раз ученые генерировали фотоны с помощью квантовой точки, помещенной в оптическую полость — «яблочко» круглой мишени диаметром порядка десяти микрометров. Квантовая точка — это область полупроводника, в которой носители заряда (электроны или дырки) ограничены по трем направлениям; более подробно про квантовые точки можно узнать из рассказа физика Михаила Киселева. В данной работе полупроводником выступал арсенид галлия-индия InGaAs.
Преимущество квантовых точек перед другими генераторами запутанных фотонов заключается в том, что они практически сразу удовлетворяют трем из четырех критериев. В самом деле, квантовая точка испускает пару запутанных фотонов за счет распада возбужденного состояния, которое предварительно нужно создать, посветив на точку лазером. Следовательно, управлять производством запутанных пар сравнительно легко. Кроме того, «верность» и неразличимость фотонов, производимых таким путем, сравнительно высока: например, в прошлом году группа физиков под руководством Даниэля Хубера (Daniel Huber) получила для этих параметров значения 98 и 93 процента соответственно.
Единственный параметр, который оставалось «докрутить» ученым — это эффективность извлечения запутанных фотонов. Для этого физики положили под квантовую точку золотое зеркало, поместили ее в «яблочко» круглой мишени, составленной из полимерных колец, и поместили над точкой собирающую линзу. Согласно расчетам ученых, такая конструкция должна довести эффективность извлечения фотонов до 90 процентов. Кроме того, она должна в 20 раз увеличить скорость генерации запутанных фотонов, что тоже важно для практических применений.
Построенная учеными установка генерировала фотоны с «верностью» и неразличимостью порядка 90 процентов, эффективностью извлечения 62 процента и скоростью генерации 59 процентов (то есть создавала запутанные пары только «по требованию»). Стоит отметить, что ни одно из этих чисел не является рекордным, однако добиться таких высоких результатов одновременно ранее никому не удавалось. Таким образом, разработанный физиками генератор — первый генератор, который удовлетворяет всем четырем ключевым критериям.
С каждым годом физики все больше и больше совершенствуют генераторы запутанных фотонов. Например, в июне 2018 исследователи из Технического университета Делфта (Нидерланды) впервые построили квантовую сеть, которая непрерывно генерировала и передавала запутанные состояния со скоростью, превышающей скорость их декогеренции (разрушения). По словам ученых, это открытие — первый шаг на пути к квантовому интернету. А в июле 2018 австрийские физики заставили квантовую точку излучать запутанные фотоны с рекордно высоким значением «верности» f ≈ 0,98, не прибегая к постобработке сигнала. В новой статье группа Паня развивала именно этот подход.
О том, как физики изучают нелокальность квантовой механики и «телепортируют» состояния частиц с помощью запутанных фотонов, подробно рассказывают материалы «Квантовая азбука: Нелокальность» и «Квантовая азбука: Телепортация». А узнать, как устроена первая в России линия квантовой связи, по которой передают запутанные фотоны, можно в материале «Выдергиваете и сжигаете».
Дмитрий Трунин
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Физики смоделировали квантовую запутанность с помощью «призрачных» электронов
Наука
4 августа 2022
Далее
Александр
Шереметьев
новостной редактор
Александр
Шереметьев
новостной редактор
Ученые смогли точно реконструировать квантово-механические свойства взаимодействия между частицами с помощью нейронной сети и фиктивных электронов.
Читайте «Хайтек» в
Физики из Центра вычислительной квантовой физики Института Флэтайрона научили нейросеть моделировать квантовую запутанность системы. Чтобы упростить вычисления и добиться высокой точности, они добавили в свои расчеты дополнительные «призрачные» электроны.
Прогнозирование свойств молекулы или материала требует расчета коллективного поведения его электронов. Проблема в том, что электроны могут стать «квантово-механически» запутанными друг с другом, а это означает, что с ними больше нельзя обращаться по отдельности, объясняют авторы работы. Запутанная паутина соединений становится невероятно сложной даже для самых мощных компьютеров, чтобы распутать их напрямую для любой системы, состоящей из более чем горстки частиц.
Чтобы преодолеть это ограничение, ученые используют нейронную сеть, которая моделирует поведение дополнительных «призрачных» электронов. Это частицы, которых на самом деле нет, но которыми ИИ заменяет квантовые взаимодействия.
Нейросеть корректирует поведение этих частиц до тех пор, пока не находит точное решение, которое будет полностью соответствовать реальным наблюдениям. Тем самым она воссоздает эффекты запутанности без сопутствующих вычислительных препятствий.
Вы можете обращаться с электронами так, как будто они не разговаривают друг с другом, как будто они не взаимодействуют друг с другом. Дополнительные частицы, которые мы добавляем, опосредуют взаимодействия между реальными частицами, которые живут в реальной физической системе, которую мы пытаемся описать.
Хавьер Робледо Морено, исследователь из Нью-Йоркского университета, соавтор работы
В своей статье ученые продемонстрировали эффективность метода для моделирования волновых функций «запутанных» электронов для простых систем, которые можно рассчитать другими методами. Результаты моделирования квантовой запутанности полностью совпали с альтернативными расчетами.
Исследователи полагают, что новый метод позволит предсказывать свойства материала или молекулы без необходимости синтезировать и тестировать их в лаборатории.
Например, можно будет протестировать множество различных молекул на наличие желаемого фармацевтического свойства всего несколькими щелчками мыши.
Читать далее:
Скоро на Землю обрушится солнечная буря: материал летит со скоростью 800 км/с
Ученые сняли на видео странное существо с щупальцами, которое приняли за цветок
Россия покидает МКС: что теперь будет и почему обслуживание станции под угрозой
Читать ещё
запутанных электронных пар, созданных с помощью тепла – Physics World
Нагрев Электронно-микроскопическое изображение в искусственных цветах устройства, создающего запутанные пары электронов. Зеленые слои представляют собой графен поверх серого сверхпроводника. Можно увидеть две квантовые точки, выступающие в канал сверхпроводника в центре изображения. Электроды из синего металла находятся на верхнем слое и используются для извлечения запутанных электронов.
(Предоставлено Университетом Аалто)
г. Международная группа исследователей во главе с Пертти Хаконеном из Университета Аалто в Финляндии представила новое устройство, которое производит запутанные пары электронов за счет применения тепла. Устройство работает путем разделения куперовских пар электронов в сверхпроводнике, а затем собирает запутанные электроны. Эта способность производить запутанные, настраиваемые электрические сигналы может стать важным шагом на пути к созданию новых электронных квантовых технологий и исследовательских приложений.
Запутанность — это чисто квантово-механическое явление, которое позволяет двум или более частицам, таким как электроны, иметь гораздо более тесные отношения, чем это предсказывает классическая физика. Когда-то считавшаяся экзотическим следствием квантовой физики, запутанность теперь имеет очень практическое применение в квантовых вычислениях и квантовом восприятии. В результате физики очень заинтересованы в разработке новых и лучших способов создания запутанных частиц.
Температурный градиент
Когда к проводящему материалу прикладывается температурный градиент, его электроны диффундируют с горячей стороны на холодную, создавая напряжение. Это явление, известное как эффект Зеебека, широко используется в современных технологиях, включая термоэлектрические генераторы и датчики температуры.
Куперовская пара состоит из двух запутанных электронов, связанных вместе внутри сверхпроводника. Поскольку куперовские пары являются бозонами, они могут конденсироваться при очень низких температурах и течь с нулевым электрическим сопротивлением. Взаимодействие, которое связывает электроны, является дальнодействующим, и поэтому электроны в куперовских парах не обязательно должны быть очень близко друг к другу.
В своем исследовании команда Хаконена создала крошечный участок алюминиевого сверхпроводника, зажатого между двумя крошечными графеновыми электродами, которые функционировали как квантовые точки — это полупроводники, которые ведут себя как искусственные атомы с уровнями энергии электронов, которые можно настраивать отдельно.
Нелокальный эффект Зеебека
Когда исследователи применили температурный градиент к своему устройству, пары Купера в сверхпроводнике разделились. Благодаря нелокальному эффекту Зеебека электроны могут покидать сверхпроводник, туннелируя через разные квантовые точки, чему способствует установка разных уровней энергии на двух квантовых точках. Затем эти электроны могут быть извлечены из устройства с помощью отдельных металлических электродов, подключенных к каждой квантовой точке. Поскольку два электрона были квантово-механически запутаны в куперовской паре, они сохраняют эту особую связь при разделении.
Подробнее
Квантовые точки графена, расщепленные куперовскими парами
Настраивая квантовые точки, команда могла варьировать относительный вклад в токи электронов от расщепления пар Купера и другого процесса, называемого упругим ко-туннелированием. Это дало команде контроль над двумя выходными сигналами их устройства.
Новое устройство может найти множество потенциальных применений в электронных квантовых технологиях.
Кроме того, возможность настройки устройства вскоре может облегчить фундаментальные проверки теоретических концепций запутанности и термодинамики.
Устройство описано в Nature Communications .
Как запутываются электроны?
(PhysOrg.com) — Исследователь из Принстона и его международные сотрудники использовали лазеры, чтобы заглянуть в сложную взаимосвязь между отдельным электроном и его окружением. Это прорыв, который может помочь в разработке квантовых компьютеров.
Этот метод показывает, как между изолированным электроном и его окружением возникает взаимосвязь, известная как состояние Кондо — состояние материи, представляющее большой интерес для физиков и инженеров. Результаты не только дают представление о давнем затруднительном положении в теоретической физике, но также могут помочь ученым понять, как хранить информацию в наименьших возможных масштабах, что откроет новые огромные области вычислительной мощности.
«Мы пролили свет на частную жизнь одного электрона», — сказал Хакан Туречи, доцент кафедры электротехники в Принстоне и ведущий исследователь проекта.
«Потребовалось почти столетие, чтобы таким образом изолировать, контролировать и исследовать один электрон — выдающийся подвиг, возможный благодаря квантовой теории, криогенике и нанотехнологиям».
Исследование провела международная группа ученых из США, Германии и Швейцарии. В число исследователей проекта входили Туречи, Атак Имамоглу, профессор Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе в Швейцарии, Ян фон Дельфт, профессор LMU в Мюнхене, и Леонид Глазман, профессор Йельского университета.
Ключевые теоретические результаты и предложение экспериментальной проверки идей были опубликованы 11 марта в журнале Physical Review Letters.
Эти теоретические прогнозы были недавно подтверждены в экспериментах под руководством Имамоглу, которые были опубликованы сегодня в журнале Nature .
Исследование дает новый взгляд на изучение проблемы Кондо, явления, впервые обнаруженного в 1930-х годах, когда исследователи были удивлены, обнаружив, что сопротивление электричеству, протекающему через определенные металлы, увеличивается при очень низких температурах.
Обычно сопротивление металлов уменьшается при понижении температуры, но с этими металлами дело обстоит иначе.
Явление было объяснено 30 лет спустя японским ученым Джуном Кондо как результат присутствия кобальта или других магнитных примесей в металлах.
Ученые также поняли, что эффект Кондо возникает из-за взаимосвязи между электронами, известной как «запутанность», при которой квантовое состояние одного электрона связано с состоянием соседних электронов, даже если частицы позже разделены значительными расстояниями. В случае эффекта Кондо захваченный электрон сложным образом запутывается с облаком окружающих электронов.
Исследователи были заинтригованы эффектом Кондо отчасти потому, что понимание того, как захваченный электрон запутывается в окружающей среде, может помочь преодолеть барьеры на пути к квантовым вычислениям, что может привести к созданию гораздо более мощных компьютеров, чем существующие в настоящее время.
Предыдущие методы наблюдения позволяли ученым проводить измерения состояния Кондо, но не могли предоставить информацию о том, как электроны установили такие отношения с окружающей средой.
Чтобы лучше понять, как электрон постепенно таким образом запутывается в своем окружении, Туречи и его сотрудники исследовали идею использования лазера для исследования электронов, переходящих в состояние Кондо. Сначала они разработали теорию о том, как лазерный свет, рассеянный электронами, может нести информацию об этом процессе.
В зависимости от состояния электрона, предположили они, он должен поглощать разные цвета лазерного света в разной степени. Свет, отраженный назад, будет нести сигнатуру запутанного квантового состояния, открывая окно в отношения между пойманным в ловушку электроном и его окружением.
Чтобы изолировать электроны, они предложили использовать наноструктурированные устройства, маленькие машины, строящие по одному атому за раз, которые захватывают электроны в маленькие ямы. Частицы имеют лишь ограниченную изоляцию в ямах и поэтому в конечном итоге запутываются с облаком окружающих электронов в устройстве.
Сотрудники Туречи в Швейцарии проверили идею, направив лазерный луч на устройство и измерив прошедший свет.
Световая сигнатура совпала с теоретическими предсказаниями. Исследователи также обнаружили, что они могут использовать световые сигнатуры, чтобы подтвердить, когда они отключили состояние Кондо с помощью магнитного поля.
«Проведя этот эксперимент, — сказал Туречи, — мы показали, что можно извлечь информацию, которая ранее была недоступна в более ранних экспериментах по эффекту Кондо».
Он сказал, что открытие может дать представление о квантовых вычислениях, потому что запутанность, в зависимости от ее природы, может открыть новые способы хранения и обработки информации или может угрожать дестабилизацией вычислительного процесса.
В то время как современные компьютеры используют транзисторы для хранения «битов» информации в виде единиц или нулей, ученые полагают, что квантовые компьютеры могут однажды использовать захваченные электроны, которые запутаны друг с другом, как «кубиты», основные информационные единицы квантовых вычислений, которые могут имеют странное качество представления смеси «единицы» и «ноля» одновременно.
Таким образом, серия кубитов может хранить экспоненциально больше информации, чем комбинация 0 и 1 классических битов.
Хотя теоретически квантовые компьютеры могут быть намного меньше и быстрее, чем машины на основе транзисторов, использование электронов или других субатомных частиц в качестве запоминающих устройств — нетривиальное достижение.
Нежелательная запутанная связь между электронами и их окружением, например, наблюдаемая в эффекте Кондо, может дестабилизировать желаемую связь между захваченными электронами, формирующими кубиты, и постепенно разрушать информацию, которую они хранят.
«Наша методика открывает окно в состояние Кондо, позволяя нам изучать электроны, сильно запутанные со своим окружением, и понимать, как они к этому пришли», — сказал Туречи.
Дополнительная информация:
Латта К., Хаупт Ф., Ханл М., Вейхсельбаум А., Клаассен М., Вустер В., Фаллахи П., Фаэлт С., Глазман Л., фон Дельфт Дж. , Türeci, HE, & Imamoglu, A.