Обнаружен новый вид квантовой запутанности в наномасштабе

Квантовая запутанность — одно из самых загадочных и фундаментальных явлений в квантовой физике, впервые описанное в парадоксе Эйнштейна–Подольского–Розена (ЭПР) в 1935 году. Хотя Эйнштейн скептически относился к «жуткому действию на расстоянии», последующие исследования, включая работы Ашера Переса и его коллег, показали, что это свойство лежит в основе квантовой телепортации и коммуникации. В 2022 году Нобелевская премия по физике была присуждена за экспериментальное подтверждение квантовой запутанности, что подчеркивает её ключевую роль в современных технологиях, таких как квантовые вычисления и защищённая связь.

Традиционно запутанность фотонов изучалась для их спинового (SAM) и орбитального (OAM) угловых моментов, которые в макроскопических системах ведут себя как независимые величины. Однако в нанофотонных системах, где размер структур сравним с длиной волны света, SAM и OAM становятся неразделимыми, и фотон характеризуется лишь полным угловым моментом (TAM). Исследователи из Техниона впервые продемонстрировали запутанность фотонов именно по TAM, что открывает новые пути для миниатюризации квантовых устройств.

Экспериментальный прорыв

Ученые использовали плазмонные наноструктуры для создания пар запутанных фотонов, чьи состояния определялись TAM. Ключевым достижением стало наблюдение квантовых корреляций между фотонами в ближнем поле, где традиционные методы анализа (например, разделение SAM и OAM) неприменимы. Для этого была разработана методика квантовой визуализации, позволившая точно измерить состояния фотонов после их взаимодействия с нанометрическими системами.

Открытие показало, что структура квантовых корреляций в TAM принципиально отличается от таковой для SAM и OAM. Это не только расширяет понимание квантовой механики в наномасштабе, но и предлагает новые инструменты для кодирования информации. Например, TAM можно использовать в фотонных чипах для квантовой коммуникации, где компактность и усиленное взаимодействие света с материей критически важны.

Технологические перспективы

Исследование открывает двери для создания ультра-компактных квантовых устройств, таких как:

• Квантовые процессоры на чипах, использующие TAM для логических операций.
• Защищенные каналы связи, где миниатюризация повышает устойчивость к декогеренции.
• Сенсоры нового поколения, чувствительные к наномасштабным изменениям среды.

Работа была выполнена при поддержке ведущих научных фондов, включая израильский Национальный научный фонд (ISF) и программы Magnet, а также с использованием инфраструктуры Техниона (Институт нанотехнологий Рассела Берри, MNFU). Это подчеркивает междисциплинарный характер исследования, объединяющего квантовую физику, нанофотонику и материаловедение.

Исследование не только расширяет фундаментальные границы квантовой физики, но и прокладывает путь к практическим приложениям, которые могут революционизировать технологии будущего — от безопасной связи до сверхбыстрых квантовых вычислений. Дальнейшие исследования в этом направлении, вероятно, приведут к новым открытиям, укрепляя роль нанофотоники как одной из ключевых платформ для квантовых технологий.