Ученые описали новый тип топологических состояний квантового света и смоделировали их в классическом эксперименте

Группа ученых из Университета ИТМО при участии коллег из МФТИ и университета Турина теоретически описала новый тип топологических состояний двух запутанных фотонов и подтвердила сделанные предсказания экспериментально с помощью классической установки. В разработанной ими технике аналогового моделирования вместо дорогостоящих опытов с квантовыми структурами с двумя и более запутанными фотонами исследователи использовали резонансные электрические цепи, физика которых описывается похожими уравнениями. Полученные результаты могут приблизить создание оптических чипов и квантовых компьютеров без проведения дорогостоящих экспериментов. Работа, поддержанная грантами РНФ и РФФИ, опубликована в журнале Nature Communications.

Фотоны

Квантовые возможности

Свет занимает важнейшее место в современных информационных технологиях — именно с помощью света информация передается по оптоволоконным кабелям на огромные расстояния. В будущем ученые предсказывают создание оптических чипов и компьютеров, в которых информация будет обрабатываться при помощи световых частиц, фотонов, а не электронов, как сейчас. Это заметно снизит потребление энергии и повысит скорость вычислительной техники, но для этого необходимы активные фундаментальные и практические исследования поведения света на микро- и наномасштабе. С особенным энтузиазмом физики и инженеры всего мира работают над тем, чтобы использовать новые возможности управления светом, которые открывает перед нами мир квантовой физики.

«Речь идет об эффектах, которые проявляются, когда света совсем мало, — поясняет первый автор работы, аспирант Университета ИТМО Никита Олехно. — Если мы будем уменьшать интенсивность света, то рано или поздно достигнем предела, когда свет ведет себя уже как набор отдельных частиц. Между этими частицами может проявляться особая связь, которую физики называют квантовой запутанностью. Так, если мы рассмотрим систему из двух запутанных фотонов, то характеристики этих частиц будут связаны. Если мы поймали в какой-то области пространства один фотон и измерили его характеристики, мы можем точно сказать, что обязательно должен быть и второй фотон с известными нам направлением движения, частотой и поляризацией».

Квантовая запутанность. Источник: newatlas.com
Квантовая запутанность. Источник: newatlas.com

В будущем это позволит создавать массу интересных устройств — невзламываемые каналы передачи информации, высокоточные системы спектроскопии и квантовые компьютеры.

В работе ученых Университета ИТМО теоретически предложена особая система в виде цепочки из квантовых резонаторов, кубитов, в которой один фотон может свободно перемещаться по всей цепочке, а два фотона определенной частоты взаимодействуют и обязательно оседают на одном из краев цепочки. Такие квантовые краевые состояния, появляющиеся именно из-за взаимодействия между фотонами, являются новым словом в фотонике и могут послужить основой для разработки квантовых оптических чипов в будущем.

Чтобы эти смелые мечтания воплотились в жизнь, понадобятся еще годы исследований и огромные средства — для проведения соответствующих экспериментов необходимы специальные наноструктуры.

«Изготавливать такие структуры довольно дорого. Кроме того, необходимо оборудование для генерации одиночных и парных фотонов и для проведения измерений. Такие эксперименты доступны далеко не всем институтам», — уточняет Никита Олехно.

Квантовая модель топологических состояний двух запутанных фотонов. Источник: физико-технический факультет Университета ИТМО
Квантовая модель топологических состояний двух запутанных фотонов. Источник: физико-технический факультет Университета ИТМО

Действовать по аналогии

Если проводить полноценный эксперимент слишком дорого, то можно попытаться придумать какую-то модель или аналогию, которая позволит проверить те или иные теоретические положения без столь серьезных затрат. Этот метод в последние годы набирает популярность в квантовой физике. Так, за последние несколько лет была опубликована серия работ таким аналоговым эмулятором, однако их авторам удавалось реализовывать классические системы, которые лишь приблизительно описывают некоторые аспекты. Кроме того, решались такие задачи только для моделирования одиночных фотонов. До недавнего времени никому не удавалось подобрать точную аналогию, пригодную вдобавок для изучения систем, в которых взаимодействуют два или более кванта света. Это получилось сделать у группы физиков из Университета ИТМО.

«Основной смысл нашей работы в том, что мы не только предсказали образование топологических состояний двух фотонов, но и впервые сделали аналоговое моделирование таких многочастичных квантовых состояний, — рассказывает Никита Олехно. — Многое в жизни можно объяснить при помощи аналогий. К примеру, когда я рассказываю школьникам об оптических резонансах наночастиц, я сравниваю их с акустическими резонансами в гитаре. Примерно такая же идея и здесь: мы создали электрическую систему, описываемую законами классической электроники, в которой, однако, можно наблюдать интересные эффекты, аналогичные тем, что проявляются в квантовых оптических системах».

Аналоговое моделирование нового типа топологических состояний двух запутанных фотонов. Источник: физико-технический факультет Университета ИТМО
Аналоговое моделирование нового типа топологических состояний двух запутанных фотонов. Источник: физико-технический факультет Университета ИТМО

«Наша система аналогична одномерной цепочке микрорезонаторов, в каждом из которых может быть “заперт” фотон или сразу два фотона, и между которыми эти фотоны могут перепрыгивать, — рассказывает соавтор работы, аспирант Университета ИТМО Андрей Степаненко. — В такой цепочке можно реализовать взаимодействие между фотонами, при котором они “чувствуют” друг друга, как протон и электрон в атоме водорода, но не притягиваются, а, наоборот, отталкиваются друг от друга. Несмотря на это отталкивание, такие фотоны могут образовывать связанное состояние, подобное атому, и двигаться по цепочке вместе. Это очень интересный феномен. Если построить такую цепочку особым образом, так, чтобы у нее появилась определенная симметрия, то в ней возникнут топологические краевые состояния таких связанных фотонных пар (подробнее об экспериментах в области топологической фотоники читайте здесь и здесь), имеющие ряд важных свойств, к примеру, устойчивость к неидеальностям геометрии отдельных микрорезонаторов или даже всей цепочки».

Слева направо: Андрей Стапаненко, Максим Горлач и Никита Олехно). Источник: физико-технический факультет Университета ИТМО
Слева направо: Андрей Стапаненко, Максим Горлач и Никита Олехно). Источник: физико-технический факультет Университета ИТМО

Как это работает

На первый взгляд, система, которую реализуют в эксперименте, совсем не похожа на свой аналог из мира квантовой фотоники. Вместо одномерной цепочки микрорезонаторов ученые сделали двумерную электронную плату, представляющую из себя квадратную сетку из конденсаторов размером 15 х 15 ячеек. В углу каждой ячейки расположена катушка индуктивности, связывающая этот узел с нулевым потенциалом, так называемой «землей».

«Мы подключаем внешнее питание к разным точкам на нашей плате и с помощью мультиметра и осциллографа следим за откликом системы, — поясняет соавтор работы Полина Иванова. — Результат описывается классическими правилами Кирхгофа, которые в нашей плате математически строго совпадают с системой квантовых уравнений Шрёдингера, описывающих двухфотонные состояния в квантово-оптической системе. У одинаковых уравнений должны быть одинаковые решения, а как назвать переменную — волновой функцией фотона или электрическим потенциалом — уже не важно».

Двумерная электронная плата, используемая в эксперименте. Источник: физико-технический факультет Университета ИТМО
Двумерная электронная плата, используемая в эксперименте. Источник: физико-технический факультет Университета ИТМО

Конечно, заменить эксперименты с квантовыми системами полностью подход ученых из Университета ИТМО не может. Однако с классической моделью можно провести целый ряд экспериментов, что существенно снизит общую стоимость изучения явлений квантовой фотоники. То, что петербургским ученым впервые удалось подобрать аналог для изучения поведения системы из двух связанных фотонов, делает значительными перспективы применения этой разработки.

«Теория опережает возможности эксперимента. Чтобы быть на переднем крае теории, мы рассматриваем тонкие эффекты, которые в квантовом эксперименте, например, с цепочками кубитов, можно будет обнаружить только через несколько лет, — поясняет руководитель проекта, старший научный сотрудник Университета ИТМО Максим Горлач. — Мы планируем поставить работу на широкую ногу и проводим сейчас целый ряд исследований в этом направлении, рассматривая топологические краевые состояния более экзотических квантовых систем и разрабатывая способы их аналогового моделирования. Проведение таких экспериментов будет иметь важное значение как для фундаментальной физики, так и для прикладных разработок будущего».

Команда исследователей из Университета ИТМО. Фото: физико-технический факультет
Команда исследователей из Университета ИТМО. Фото: физико-технический факультет

Статья: Nikita A. Olekhno, Egor I. Kretov, Andrei A. Stepanenko, Polina A. Ivanova, Vitaly V. Yaroshenko, Ekaterina M. Puhtina, Dmitry S. Filonov, Barbara Cappello, Ladislau Matekovits, and Maxim A. Gorlach, Topological edge states of interacting photon pairs emulated in a topolectrical circuit, Nature Communications (2020). DOI:10.1038/s41467-020-14994-7

Редакция новостного портала