Запутывание — мгновенная связь между двумя частицами независимо от их расстояния друг от друга — является одним из самых интригующих и многообещающих явлений во всей физике. Правильно используемые запутанные фотоны могут произвести революцию в вычислениях, коммуникациях и кибербезопасности.
Несмотря на то, что его легко создать в лаборатории и с помощью сравнительно крупномасштабных оптоэлектронных компонентов, практический источник запутанных фотонов, который может поместиться на обычном компьютерном чипе, был неуловим.Новое исследование, опубликованное сегодня в новом высокоэффективном журнале Optica Оптического общества (OSA), описывает, как группа ученых впервые разработала микроскопический компонент, который достаточно мал, чтобы поместиться на стандартном кремниевом чипе, который может генерировать непрерывная подача запутанных фотонов.Новый дизайн основан на известной кремниевой технологии, известной как микрокольцевой резонатор. Эти резонаторы на самом деле представляют собой петли, вытравленные на кремниевые пластины, которые могут загонять, а затем повторно излучать частицы света.
Изменив конструкцию этого резонатора, исследователи создали новый источник запутанных фотонов, который невероятно мал и очень эффективен, что делает его идеальным встроенным компонентом.«Основным преимуществом нашего нового источника является то, что он в то же время маленький, яркий и основан на кремнии», — сказал Даниэле Байони, исследователь из Universita degli Studi di Pavia в Италии и соавтор статьи. «Диаметр кольцевого резонатора составляет всего 20 микрон, что составляет примерно одну десятую ширины человеческого волоса. Предыдущие источники были в сотни раз больше, чем разработанные нами».От запутанности к инновациям
Ученые и инженеры давно осознали огромный практический потенциал запутанных фотонов. Это любопытное проявление квантовой физики, которое Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии», имеет два важных значения в реальных технологиях.Во-первых, если что-то воздействует на один из запутанных фотонов, то другой немедленно отреагирует на это действие, даже если он находится на противоположной стороне компьютерного чипа или даже на противоположной стороне Галактики.
Такое поведение можно использовать для увеличения мощности и скорости вычислений. Второе значение состоит в том, что два фотона можно рассматривать как в некотором смысле единое целое, что позволит создавать новые протоколы связи, невосприимчивые к шпионажу.
Это, казалось бы, невозможное поведение важно для развития определенных технологий следующего поколения, таких как компьютеры, которые намного мощнее, чем даже самые современные суперкомпьютеры, и безопасные телекоммуникации.Создание запутанности на микросхемеОднако для реализации этих новых технологий требуется новый класс запутанных излучателей фотонов: те, которые могут быть легко включены в существующие технологии кремниевых чипов.
Достижение этой цели было очень сложной задачей.На сегодняшний день запутанные излучатели фотонов, которые в основном сделаны из специально разработанных кристаллов, могут быть уменьшены до размера всего в несколько миллиметров, что все еще на много порядков слишком велико для встроенных приложений. Кроме того, эти излучатели требуют большого количества энергии, что является ценным товаром в телекоммуникациях и вычислительной технике.
Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи изучили потенциал кольцевых резонаторов как нового источника запутанных фотонов. Эти хорошо зарекомендовавшие себя оптоэлектронные компоненты могут быть легко вытравлены на кремниевой пластине таким же образом, как и другие компоненты на полупроводниковых кристаллах.
Для «накачки» или питания резонатора лазерный луч направляется по оптическому волокну на входную сторону образца, а затем попадает в резонатор, где фотоны бегают по кольцу. Это создает идеальную среду для смешивания фотонов и их запутывания.
Когда фотоны выходили из резонатора, исследователи смогли заметить, что очень высокий процент из них проявлял характерные характеристики запутывания.«Наше устройство способно излучать свет с поразительными квантово-механическими свойствами, которые никогда не наблюдались в интегрированном источнике», — сказал Баджони. «Скорость, с которой генерируются запутанные фотоны, беспрецедентна для кремниевого интегрированного источника и сравнима со скоростью, доступной для объемных кристаллов, которые должны накачиваться очень сильными лазерами».Приложения и технологии будущего
Исследователи считают, что их работа особенно актуальна, потому что она впервые демонстрирует типичный квантовый эффект, запутанность, в хорошо зарекомендовавшей себя технологии.«В последние несколько лет были разработаны кремниевые интегрированные устройства для фильтрации и направления света, в основном для телекоммуникационных приложений», — заметил Байони. «Наши микрокольцевые резонаторы могут быть легко использованы вместе с этими устройствами, что подтолкнет нас к возможности полностью использовать запутанность на кристалле».
В результате это исследование может облегчить внедрение квантовых информационных технологий, в частности протоколов квантовой криптографии, которые обеспечат безопасную связь способами, недоступными классическим протоколам криптографии.По словам Байони и его коллег, эти протоколы уже были продемонстрированы и протестированы.
Чего не хватало, так это дешевого, небольшого и надежного источника запутанных фотонов, способного распространяться в оптоволоконных сетях, и эта проблема, по-видимому, решена благодаря их инновациям.