От кремния к квантовому превосходству: Квантовые точки-излучатели нарушают неравенство Белла

Новое исследование в Nature Physics демонстрирует новый метод генерации квантовой запутанности с использованием квантовой точки, что нарушает неравенство Белла . Этот метод использует ультранизкие уровни мощности и может открыть путь к масштабируемым и эффективным квантовым технологиям.

Квантовая запутанность необходима для квантовых вычислительных технологий. В этом явлении кубиты (квантовые биты) — строительные блоки квантовых компьютеров — становятся коррелированными независимо от их физического расстояния.

Это означает, что если измеряется свойство одного кубита, это влияет на другой. Квантовая запутанность проверяется с помощью неравенства Белла, теоремы, которая тестирует валидность квантовой механики путем измерения запутанных кубитов.

Phys.org поговорил с первым автором исследования, доктором Шикай Лю из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете в Дании. Интерес доктора Лю к квантовым точкам возник из его предыдущей работы с традиционными источниками запутанности.

Неравенство Белла

В основе этого исследования лежит неравенство Белла — это математическое выражение, разработанное физиком Джоном Стюартом Беллом в 1964 году, которое используется для различения классических и квантовых корреляций. Оно проверяет, могут ли наблюдаемые корреляции между частицами быть объяснены классической физикой или требуют квантовой механики.

В квантовом мире частицы могут демонстрировать корреляции, которые сильнее, чем это возможно в классическом мире. Неравенство Белла предоставляет порог: если корреляции превышают этот порог, то природа корреляций квантовая, что указывает на квантовую запутанность .

Исследователи использовали уравнение для подтверждения валидности своего эксперимента и установления, производит ли их установка квантовую запутанность. Установка была основана на квантовых точках и волноводах.

Искусственные атомы на чипе

Квантовые точки — это наноструктуры, которые ведут себя как искусственные атомы. По сути, это полупроводниковые чипы, предназначенные для захвата электронов внутри своей структуры.

Захватывая электроны в малом пространстве, электроны проявляют квантованные энергетические состояния, как и в атомах. Поэтому говорят, что квантовые точки ведут себя как искусственные атомы.

Эти квантовые точки действуют как двухуровневые системы, подобные естественным атомам, но с преимуществом интеграции в чип. Кроме того, энергетические уровни могут быть настроены в зависимости от размера и состава квантовой точки.

Системы квантовых точек могут выступать в качестве эмиттеров, что означает, что они могут эффективно испускать одиночные фотоны. В определенных условиях излучаемые фотоны могут становиться запутанными.

Связь с волноводом

Для повышения эффективности, когерентности и стабильности излучаемых фотонов от квантовой точки исследователи соединили ее с фотонным кристаллическим волноводом.

Эти материалы имеют периодическую структуру чередующихся материалов с высоким и низким показателем преломления. Это позволяет направлять свет через трубчатую структуру, которая тонка, как человеческий волос.

Волноводы позволяют контролировать и манипулировать распространением света в терминах направления и длины волны, тем самым усиливая взаимодействие света с веществом.

Однако достижение эффективной связи между волноводом и квантовой точкой представляет значительные трудности.

«Чтобы улучшить взаимодействие света с веществом, мы изготовили фотонный кристаллический волновод, который обеспечивает сильное ограничение для квантовой точки», — объяснил доктор Лю. «Это привело не только к высокой эффективности связи излучаемого света с волноводом (более 90%), но и к усилению эффекта Пурцелла в 16 раз за счет замедления света в наноструктуре и увеличения времени его взаимодействия с квантовой точкой».

Усиление эффекта Пурцелла относится к явлению, когда скорость спонтанного излучения квантового излучателя (например, квантовой точки) увеличивается, когда он помещен в резонансную оптическую полость или вблизи структурированной фотонной среды.

Проще говоря, усиление эффекта Пурцелла увеличивает излучение света от квантовых излучателей, помещая их в среды, которые усиливают их взаимодействие со светом. Это работает, изменяя количество различных способов излучения света в области вокруг излучателя.

Нарушение неравенства Белла

Команда также столкнулась с быстрой декогеренцией (быстрая потеря когерентности), вызванной тепловыми вибрациями в кристаллической решетке. Эти вибрации нарушают стабильные квантовые состояния частиц, что затрудняет поддержание и точное измерение их квантовых свойств.

Их решение заключалось в охлаждении чипа до -269°C, чтобы минимизировать нежелательные взаимодействия между квантовой точкой и фононами в полупроводниковом материале.

После установки двухуровневой системы излучателя для производства запутанных фотонов исследователи использовали два несимметричных интерферометра Маха-Цендера для проведения теста неравенства Белла CHSH (Клаузер-Хорн-Шимони-Холт). CHSH — это форма неравенства Белла.

Тщательно настроив фазы интерферометра, исследователи измерили интерференцию Фрэнсона между излучаемыми фотонами. Интерференция Фрэнсона — это тип интерференционной картины, наблюдаемой в экспериментах по квантовой оптике с участием запутанных фотонов.

«Наблюдаемое значение параметра S в наших измерениях составило 2,67 ± 0,16, что значительно выше предела локальности 2. Этот результат подтвердил нарушение неравенства Белла, тем самым подтвердив состояние энергетически-временной запутанности, созданное нашим методом», — сказал доктор Лю.

Это нарушение важно, поскольку оно подтверждает квантовую природу корреляций между фотонами.

Энергоэффективность и будущее

Одной из выдающихся особенностей их двухуровневой системы излучателя является ее энергоэффективность.

Запутанность генерировалась при мощностях накачки всего 7,2 пиковатт, что примерно в 1000 раз меньше, чем у традиционных источников одиночных фотонов. Эта работа при ультранизкой мощности, в сочетании с интеграцией на чипе, делает метод очень перспективным для практических квантовых технологий.

Доктор Лю видит несколько захватывающих направлений для будущих исследований. «Одно из направлений — изучение сложных фотонных квантовых состояний и многочастичных взаимодействий посредством неупругого рассеяния на нескольких двухуровневых излучателях. Кроме того, дальнейшая интеграция нашего метода в совместимые фотонные схемы позволит получить больше функциональностей с малым размером, что повысит универсальные фотонные квантовые приложения, включая вычисления, связь и сенсорику».