Физики нашли принципиально новый способ связать свет и звук

Квантовая запутанность частиц – явление уже почти привычное. Однако в новом исследовании физики придумали, как запутать две частицы совершенно разных типов – фотон, квант света, с фононом, квантовым эквивалентом звуковой волны.

Физики Чанглонг Чжу, Клаудиу Генес и Биргит Штиллер из германского института им. Макса Планка по изучению света назвали предложенную ими новую систему оптоакустической запутанностью.

Она представляет собой гибридную систему, использующую две совершенно разные фундаментальные частицы, порождающие новую форму запутанности, уникальным образом устойчивую к внешним шумам. Устойчивость запутанности — одна из самых больших проблем, стоящих перед квантовыми технологиями. Новое открытие — это её значительный шаг на пути к более надёжным квантовым устройствам.

У квантовой запутанности есть перспективное применение для высокоскоростной квантовой связи и квантовых вычислений. Уникальная физика, описывающая изолированные и запутанные частицы до и после их измерения, делает их идеальными для целого ряда применений, от шифрования до высокоскоростных алгоритмов.

Однако квантовое состояние, необходимое для протекания этих процессов, слишком хрупкое — это сдерживает его реализацию в практических приложениях.

Учёные работают над решением этой проблемы и наметили несколько перспективных путей. С шумом можно бороться, повышая размерность системы или добавляя больше частиц в запутанную систему. Вполне вероятно, что для решения проблемы потребуется не один, а несколько путей, поэтому чем больше у нас вариантов, тем больше вероятность того, что будет найдена правильная комбинация.

Путь, который исследовали Чжу и его коллеги, предполагает спаривание фотонов не с другими фотонами, а с «частицей» совершенно другого толка – фононом, квазичастицей, квантом энергии согласованного колебательного движения атомов. Этого довольно сложно добиться, поскольку фотоны и фононы движутся с разной скоростью и у них разные уровни энергии.

Исследователи показали, как можно запутать частицы, используя процесс, называемый рассеянием Мандельштама — Бриллюэна, при котором свет рассеивается волнами тепловых звуковых колебаний между атомами в материале.

В предлагаемой полупроводниковой системе исследователи направляют лазерное излучение и акустические волны в полупроводниковый волновод с бриллюэновской активностью на кристалле, чтобы вызвать рассеяние. Когда два кванта движутся по одной и той же фотонной структуре, фонон движется с гораздо меньшей скоростью, что приводит к рассеянию, которое может запутать частицы, имеющие совершенно разные энергетические уровни.

Ещё более интересной эту технологию делает то, что она может быть достигнута при более высоких температурах, чем стандартные подходы к запутыванию, что позволяет вывести запутывание из криогенной зоны и потенциально уменьшить потребность в дорогостоящем специализированном оборудовании.

Это требует дальнейшего изучения и экспериментов, но это многообещающий результат, говорят исследователи.