Впервые физикам удалось получить квантово запутанную пару «разнородных» частиц — фотона и атома. Ранее удавалось «запутать» между собой только пары из двух фотонов или из двух атомов (ионов).
Фотон плюс атом: Шаг навстречу «квантовому Интернету»
Михаил Лукин

Михаил Лукин, наш соотечественник, работает в Гарварде. Группе ученых, которую он возглавляет, удалось добиться квантовой запутанности фотонов и атомов твердого вещества. Такие атомы могут выступать в роли кубитов — квантовых битов; а новое исследование демонстрирует способ обмена информацией между кубитами на больших расстояниях.

Возможные области применения квантовых сетевых технологий, в частности, связь на больших расстояниях и распределенные вычисления, не обойдутся без узлов хранения квантовой информации. Кубиты, в которых «записаны» данные, должны быть запутаны между собой.

«Для ученых, занимающихся разработками в области квантовых вычислений и квантовой передачи информации, возможность запутывания двух кубитов на большом расстоянии была под большим вопросом, — говорит Лукин. — Демонстрация квантовой запутанности атомов твердого тела и фотонов — важный шаг к объединению кубитов в квантовые сети».

Ранее ученым удавалось запутать между собой либо пары фотонов, либо пары атомов (ионов). Однако группа Лукина смогла не только добиться «перекрестной» запутанности, но и продемонстрировать, как информация, записанная в кубите, переносится на фотон.

Квантовая запутанность, которую Альберт Эйнштейн охарактеризовал как «жуткое действие на расстоянии», является фундаментальным явлением квантовой механики. Она позволяет передавать информацию на огромные расстояния, ограниченные только тем, насколько далеко частицы из запутанной пары могут оказаться друг от друга.

Предыдущие работы Михаила Лукина были направлены на изучение работы одноатомных примесей в алмазах в качестве кубитов. Исследовательская группа отметила возможность управления дефектами кристаллической решетки, где атом азота замещает углерод, с помощью сфокусированного лазерного излучения. Спиновые степени свободы таких примесей позволяют сделать из них отличную квантовую память (впрочем, наиболее эффективной на данный момент остается квантовая память, разработанная учеными из Австралии. Читайте об этом — «Остановленный свет: На долгую (квантовую) память»).

В новой работе, результаты которой опубликованы в журнале Nature, Лукин и его соавторы указывают на другую интересную особенность подобных одноатомных включений. Если возбудить атомы примеси с помощью серии тщательно подобранных микроволновых и лазерных импульсов, они начинают испускать фотоны по одному в единицу времени. Каждый из этих фотонов запутан с квантовой памятью. Подобный поток единичных фотонов может быть использован для передачи информации.

«Поскольку фотоны — самые быстрые носители квантовой информации, а спиновая память может надежно хранить данные на протяжении относительно большого промежутка времени, спутанные «спин-фотонные» пары — идеальное решение для реализации квантовых сетей, — говорит Лукин. — Такие сети, квантовый аналог привычного нам Интернета, могут позволить безопасную передачу информации на большие расстояния».

По сообщению Harvard Science