Запутанные фотоны широко используются в квантовой передаче данных, в квантовой телепортации, а также считаются основой будущих квантовых компьютеров. Квантовая запутанность выражается в том, что запутанные частицы объединены одним квантовым состоянием и «чувствуют» друг друга на больших расстояниях. Измеряя состояние одного запутанного фотона, ученые определяют и состояние другого.
Запутанные частицы рождаются, когда один фотон распадается на два (или три) фотона с меньшей энергией. Очень важно генерировать такие частицы с высокой производительностью, при комнатной температуре и в компактном устройстве. Сейчас на миллиард прошедших по оптоволокну фотонов приходится только одна пара запутанных частиц, а установки, которые их генерируют, достигают размеров комнаты. Есть и более эффективные способы генерации, но реализовать их можно только при очень низких температурах.
Исследователи из Университета ИТМО совместно с коллегами из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе и Австралийского национального университета разработали метод расчета, который позволит проектировать более производительные и компактные устройства, призванные генерировать запутанные фотоны. В основе вычислений лежит функция, которая уже полвека используется в физике, но совсем для других задач, — функция Грина. В свою очередь, логика нового подхода к генерации запутанных частиц такова, что сначала фотоны превращают в запутанные плазмоны, а затем, сохраняя их запутанность, — обратно в фотоны.
По сути, плазмон — это фотон с электрическим дополнением, которое появляется у него за счет взаимодействия с электронами металлов. Волна, состоящая из плазмонов, возбуждается на границе металла и диэлектрика, когда на них попадает пучок света. При этом между слоями металла и диэлектрика возникает настолько плотное электрическое поле, что нелинейные (на уровне отдельных частиц) процессы усиливаются в десятки раз. Это поле способствует генерации большего числа запутанных частиц, плазмонов, которые несложно снова превратить в фотоны известными науке методами. Таким образом, за счет нового подхода можно многократно увеличить выход запутанных фотонов и уместить квантовое устройство на чипе.
Особая наноструктура, которую ученые предложили использовать для генерации фотонных пар, называется метаматериалом. Она представляет собой периодическую решетку, в которой слои металла чередуются со слоями диэлектрика. Когда свет проходит через такую решетку, фотоны распадаются на пары запутанных плазмонов.
Разработанная методика вычислений подходит для проектирования широкого спектра устройств: металлических метаматериалов, волноводов, устройств для генерации двух или трех запутанных фотонов или же, наоборот, для приборов, где происходит слияние нескольких фотонов в один. Ультрафиолетовые диоды и лазеры, к примеру, используют генерацию одного фотона из трех. Таких устройств очень мало, они дорогие и габаритные. Уменьшить их размеры также помогут метаматериалы.
Метаматериалы способны обеспечить 70%-ную эффективность распада одиночных фотонов на пары запутанных.
«Мы предлагаем объединить достоинства двух уже существующих подходов, то есть совместить лазеры и метаматериалы в рамках оптического наночипа. Такие устройства потенциально могут быть компактными и работать при обычных температурах. Их яркость можно обеспечить, усилив сигнал плазмонами», — говорит Александр Поддубный, первый автор статьи, исследователь Лаборатории метаматериалов Университета ИТМО.
Прежде специалисты не занимались квантовыми эффектами в плазмонных метаматериалах, поскольку считалось, что для их возникновения в системе должны быть очень маленькие тепловые потери.
«Два года назад американские ученые показали, что можно запутывать плазмоны. Работа была экспериментальная, и теоретики попробовали объяснить ее. Но оказалось, что квантовая оптика не может описать систему, где есть большие потери, то есть систему с плазмоном. Однако с помощью таких систем можно увеличить производительность приборов, запутывающих частицы, и уместить их в квантовый компьютер», — отмечает Иван Иорш, научный сотрудник Лаборатории метаматериалов Университета ИТМО.
Ранее можно было рассчитать только линейные свойства метаматериалов: пропускание или отражение света. Теперь ученые открыли еще одну степень свободы, которая отвечает за управление нелинейностью.
«Было понимание, что метаматериалы должны многократно усиливать нелинейные процессы, — продолжает Иван Иорш. — Но, как учесть вклад тепловых потерь количественно, было неясно. Теперь, используя наш формализм, ученые смогут оценить, не помешают ли тепловые потери использовать устройство для поставленной задачи, и, следовательно, смогут оптимизировать дизайн метаматериала».
Статья: Alexander N. Poddubny, Ivan V. Iorsh, and Andrey A. Sukhorukov (2016), Generation of photon-plasmon quantum statesin nonlinear hyperbolic metamaterials, Physical Review Letters.
