Квантовая запутанность: новый источник для безопасной связи

от

Автор: Денис Аветисян

Исследователи продемонстрировали создание и проверку запутанности во временной области, используя сверхпроводящий источник одиночных фотонов, что открывает перспективы для квантовой криптографии.

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал
Интерференционные полосы Франсона демонстрируют нарушение неравенства Чу-Клаузера-Хорна-Шимэни, при этом наблюдаемая корреляционная функция $N(\phi\_{A}, \phi\_{B}) = N\_{1}[1+\cos(\phi\_{A}-\phi\_{B})] + N\_{2}$ характеризуется видимостью 92.8±2.6%, что подтверждает наличие временной запутанности, а зависимость параметра S и $g^{(2)}(0)$ от мощности накачки согласуется с теоретическими предсказаниями при среднем числе фотонов $\bar{n}=0.01$.
Интерференционные полосы Франсона демонстрируют нарушение неравенства Чу-Клаузера-Хорна-Шимэни, при этом наблюдаемая корреляционная функция $N(\phi\_{A}, \phi\_{B}) = N\_{1}[1+\cos(\phi\_{A}-\phi\_{B})] + N\_{2}$ характеризуется видимостью 92.8±2.6%, что подтверждает наличие временной запутанности, а зависимость параметра S и $g^{(2)}(0)$ от мощности накачки согласуется с теоретическими предсказаниями при среднем числе фотонов $\bar{n}=0.01$.

Наблюдение нарушения неравенства ЧШСХ с использованием суперпозиций вакуума и одного фотона, генерируемых резонансной флуоресценцией квантовой точки.

Квантовая запутанность, являясь ключевым ресурсом для квантовых технологий, традиционно требует сложных взаимодействий со средой. В работе, озаглавленной ‘Bell Inequality Violation with Vacuum-One-Photon Number Superposition States’, демонстрируется новый подход к генерации запутанности, основанный на резорентной флуоресценции одиночного квантового пункта. Авторы впервые показали нарушение неравенства Белла, используя суперпозицию состояний вакуума и одного фотона, и реализовали запутанность по времени. Открывает ли это путь к созданию масштабируемых и эффективных источников запутанных фотонов для квантовой связи и вычислений?

Квантовые Состояния: Фундамент Информации

Квантовая информационная наука использует принцип суперпозиции, воплощенный в состояниях Фока, для представления вычислительных пространств неограниченного масштаба. Состояния Фока, описывающие число частиц в определенном квантовом состоянии, позволяют кодировать информацию не только в дискретных, но и в непрерывных переменных. В отличие от классических битов, которые могут быть либо 0, либо 1, квантовый бит, основанный на состояниях Фока, может существовать в суперпозиции этих состояний, представляя собой линейную комбинацию $ |0\rangle$ и $ |1\rangle$. Это открывает возможность экспоненциального увеличения вычислительной мощности, поскольку система из $n$ кубитов может одновременно представлять $2^n$ состояний. Такая возможность представления неограниченного пространства является ключевым фактором для решения сложных вычислительных задач, недоступных классическим компьютерам, и лежит в основе перспективных квантовых алгоритмов.

Состояния вакуума и одного фотона, основанные на фоковских состояниях, представляют собой надежную и управляемую основу для кодирования и манипулирования квантовой информацией. В отличие от традиционных подходов, использующих наличие или отсутствие фотона для обозначения бита, эти состояния позволяют точно контролировать количество фотонов в определенном режиме электромагнитного поля. Такой подход обеспечивает повышенную устойчивость к ошибкам, вызванным шумом и потерями, поскольку информация кодируется не просто в наличии сигнала, а в точном квантовом состоянии поля. Использование $ |0\rangle$ для вакуума и $ |1\rangle$ для состояния с одним фотоном позволяет создавать кубиты, которые могут быть подвергнуты суперпозиции и запутанности, открывая возможности для реализации сложных квантовых алгоритмов и протоколов безопасной связи. Контролируемое создание и манипулирование этими состояниями является ключевым шагом на пути к созданию практических квантовых технологий.

В основе квантовой коммуникации лежит способность создавать и манипулировать сложными запутанными состояниями, и именно вакуумно-однофотонные состояния оказываются ключевым элементом в этом процессе. Эти состояния, основанные на принципах квантовой суперпозиции, позволяют эффективно кодировать и передавать квантовую информацию посредством оптических кубитов. Благодаря своей устойчивости к декогеренции и возможности точного контроля, они служат надежной платформой для генерации запутанных пар фотонов, необходимых для построения безопасных каналов связи и реализации квантовой телепортации. $|0\rangle$ и $ |1\rangle$ состояния фотона, используемые в качестве кубитов, позволяют создавать сложные квантовые сети, открывая перспективы для сверхбыстрой и защищенной передачи данных.

Экспериментальная установка включает квантовый источник света, управляемый лазером, и разветвленную систему анализа временных интервалов с использованием двух анализаторов на основе AMZI, позволяющую измерять когерентность излучения и подтверждать неклассический характер источника, что подтверждается измерениями с использованием интерферометра Фабри-Перо и установки Ганбури-Брауна-Твисса.
Экспериментальная установка включает квантовый источник света, управляемый лазером, и разветвленную систему анализа временных интервалов с использованием двух анализаторов на основе AMZI, позволяющую измерять когерентность излучения и подтверждать неклассический характер источника, что подтверждается измерениями с использованием интерферометра Фабри-Перо и установки Ганбури-Брауна-Твисса.

Генерация Квантового Света: От Квантовых Точек к Запутанности

Квантовые точки, интегрированные в микростолбики (QD-micropillar), эффективно генерируют одиночные фотоны при возбуждении непрерывными лазерными волнами на резонансной частоте. Конструкция микростолбика обеспечивает эффективное удержание и усиление излучения от одиночной квантовой точки, повышая вероятность генерации одиночных фотонов. Резонансное возбуждение максимизирует вероятность перехода электрона в квантовой точке, что необходимо для эффективной эмиссии фотонов. В результате, такие устройства позволяют создавать стабильные и контролируемые источники одиночных фотонов, необходимые для квантовой криптографии, квантовых вычислений и других приложений квантовой оптики.

Радиочастотное (РЧ) возбуждение квантовой точки позволяет создавать временнó-делокализованные состояния вакуума и одиночных фотонов. Применение РЧ-сигнала к квантовой точке модулирует её электронные состояния, что приводит к формированию суперпозиции состояний вакуума и одного фотона. Регулируя амплитуду и частоту РЧ-возбуждения, можно точно контролировать временные характеристики этих состояний, включая их длительность и временную ширину. Такой контроль является ключевым для реализации когерентных операций и создания сложных квантовых состояний, необходимых для квантовой оптики и квантовых вычислений. Эффективное управление временными свойствами одиночных фотонов, генерируемых посредством РЧ-возбуждения, значительно расширяет возможности для манипулирования квантовой информацией.

В основе схемы генерации запутанности лежит явление резонансного флуоресцентного рассеяния. Облучение квантовой точки лазером, частота которого близка к частоте ее электронного перехода, приводит к возникновению когерентной суперпозиции вакуумного состояния и однофотонного состояния. Этот процесс обеспечивает формирование необходимых квантовых состояний, необходимых для последующей генерации запутанных фотонов. В результате резонансного флуоресцентного рассеяния происходит эффективное «подготовка» квантовой точки к излучению неклассического света, что является ключевым этапом в реализации протокола квантовой запутанности. Именно контроль над суперпозицией вакуума и однофотонного состояния позволяет управлять свойствами излучаемого света и создавать коррелированные фотоны.

Измеренное значение функции второй степени корреляции, $g^{(2)}(0) = 0.037(3)$ при низкой мощности накачки, однозначно свидетельствует о неклассической природе излучаемого света. Значение $g^{(2)}(0) < 0.5$ является строгим критерием неклассичности, поскольку для когерентного света (например, от лазера) $g^{(2)}(0) = 1$, а для полностью случайного света — $g^{(2)}(0) = 0$. Полученное значение указывает на то, что излучение характеризуется антикорреляцией фотонов, то есть вероятность одновременного детектирования двух фотонов существенно ниже, чем для классического источника света, что подтверждает генерацию одиночных фотонов.

Анализ функции второй степени корреляции g(2)(Δt) при мощности лазера n̄=0.01 показал фазовую зависимость интерференционной картины, подтвержденную теоретическими расчетами, где интенсивность цвета соответствует изменению видимости интерференции.
Анализ функции второй степени корреляции g(2)(Δt) при мощности лазера n̄=0.01 показал фазовую зависимость интерференционной картины, подтвержденную теоретическими расчетами, где интенсивность цвета соответствует изменению видимости интерференции.

Подтверждение Запутанности: Подход Временных Бинов

Временная запутанность, генерируемая с использованием состояний вакуум-один-фотон, является ключевым ресурсом для протоколов квантовой информации. Эти состояния, в которых информация кодируется во временных степенях свободы фотона, позволяют создавать кубиты, устойчивые к декогеренции, что особенно важно для реализации квантовой связи и квантовых вычислений. Запутанность во временных степенях свободы обеспечивает возможность передачи и обработки квантовой информации на больших расстояниях, поскольку фотоны, несущие квантовую информацию, могут распространяться по оптоволоконным линиям связи с минимальными потерями. Кроме того, временная запутанность находит применение в квантовой криптографии, обеспечивая безопасную передачу ключей шифрования.

Для манипулирования и подготовки запутанных состояний используются волоконные разветвители лучей (fiber beam splitters) и асимметричные интерферометры Маха-Цендера (AMZI). Волоконные разветвители обеспечивают пространственное разделение фотонов, необходимое для создания суперпозиции. Асимметричные интерферометры Маха-Цендера, в свою очередь, позволяют контролировать фазу и поляризацию фотонов, создавая временные корреляции между ними. Конструкция AMZI отличается неравными длинами плеч, что критически важно для формирования временных бинов и, следовательно, для создания запутанности во временной степени свободы. Комбинация этих оптических элементов позволяет точно настраивать и управлять квантовыми состояниями фотонов, подготавливая их к дальнейшим измерениям и применению в квантовых протоколах.

Интерферометр Франсона, в сочетании с детекторами одиночных фотонов, позволяет проводить проективные измерения в базисе времени, подтверждая запутанность посредством интерференции двух фотонов. Принцип работы основан на разделении фотонов по временным слотам и последующем их объединении. Обнаружение совпадений между фотонами, прошедшими по разным путям, свидетельствует о наличии корреляции, невозможной в классической физике. Интенсивность совпадений напрямую зависит от степени запутанности и используется для количественной оценки параметров состояния. Наблюдаемый паттерн интерференции позволяет подтвердить, что состояние двух фотонов является неразделимым, что является необходимым условием для квантовой запутанности.

Для поддержания стабильности асимметричных интерферометров Маха-Цендера (AMZI) и обеспечения высокой достоверности запутанности применяются методы фазовой синхронизации. Нестабильность фазы между плечами AMZI приводит к снижению контрастности интерференционной картины и, как следствие, к ухудшению видимости интерференционных максимумов и минимумов. Точное управление и поддержание разности фаз, обычно достигаемое с помощью обратной связи на основе пьезоэлектрических приводов или электрооптических модуляторов, критически важно для минимизации влияния флуктуаций и обеспечения стабильного и предсказуемого поведения запутанных фотонов. Отсутствие эффективной фазовой синхронизации значительно снижает эффективность процессов квантовой обработки информации, основанных на временных бинах.

В ходе экспериментов была достигнута видимость интерференционной картины в $92.8 \pm 2.6\%$. Данный показатель свидетельствует о наличии ярко выраженной временной запутанности, поскольку высокая видимость напрямую коррелирует со степенью корреляции между двумя фотонами в различных временных интервалах. Значение видимости, близкое к 100%, указывает на эффективную интерференцию и, следовательно, на сильную квантовую корреляцию, необходимую для реализации протоколов квантовой информации.

Подтверждение Квантовых Корреляций: Неравенство CHSH Белла

Нарушение неравенства Чу-Клаузера-Хорна-Шиллингера (CHSH) представляет собой неоспоримое доказательство существования истинной квантовой запутанности и окончательно опровергает концепцию локального реализма. Данное неравенство, основанное на предположении о существовании скрытых переменных и локальности, устанавливает предел для корреляций, которые могут наблюдаться в классических системах. Экспериментальное наблюдение значений, превышающих этот предел, свидетельствует о том, что квантовые частицы демонстрируют корреляции, невозможные в рамках классической физики. Это означает, что состояние одной частицы мгновенно влияет на состояние другой, независимо от расстояния между ними, что противоречит принципу локальности и подтверждает нелокальную природу квантового мира. В конечном итоге, нарушение неравенства CHSH служит фундаментальным подтверждением квантовой механики и ее отличия от всех классических альтернатив.

Экспериментальные данные, полученные в ходе исследования, с высокой точностью соответствуют предсказаниям чистой квантовой модели. Данное совпадение подтверждает состоятельность теоретической базы, лежащей в основе понимания квантовой запутанности. Использование чистых состояний позволило добиться предсказуемости результатов и исключить влияние скрытых параметров, что является ключевым аспектом в проверке нелокальности квантовых явлений. Соответствие между теорией и экспериментом демонстрирует, что предложенный подход к генерации и измерению запутанных состояний является эффективным и надежным, открывая перспективы для дальнейших исследований в области квантовых технологий, включая квантовую связь и вычисления.

Измерения функции второй степени корреляции (g(2)) подтвердили неклассическую природу испускаемого света, предоставив дополнительную характеристику квантового состояния. Низкие значения g(2), значительно меньше единицы, указывают на антикоррелированный характер фотонов, что невозможно объяснить классическими моделями электромагнитного излучения. Такой результат демонстрирует, что испускаемые фотоны не являются случайными и независимыми, а проявляют сильную корреляцию, обусловленную квантовой запутанностью. Эти измерения не только подтверждают неклассический характер источника света, но и позволяют более точно описать свойства создаваемых запутанных фотонных пар, что критически важно для реализации протоколов квантовой коммуникации и вычислений.

Подтвержденная устойчивость запутанных состояний открывает новые перспективы для реализации передовых протоколов квантовой коммуникации и вычислений. Возможность надежно генерировать и контролировать эти корреляции является ключевым элементом для создания защищенных каналов связи, невосприимчивых к перехвату, а также для разработки квантовых компьютеров, способных решать задачи, недоступные классическим алгоритмам. Повышенная яркость и надежность запутанных фотонов, продемонстрированные в данном исследовании, значительно упрощают интеграцию этих состояний в практические квантовые устройства и системы, позволяя преодолеть ограничения, связанные с потерями сигнала и шумами. Это, в свою очередь, приближает реализацию таких перспективных технологий, как квантовая криптография, квантовая телепортация и квантовые сенсоры, обладающие беспрецедентной чувствительностью и точностью.

Экспериментально продемонстрированное нарушение неравенства ЧШСХ Белла, с величиной $S = 2.675(50) > 2$, является убедительным подтверждением истинной квантовой запутанности и опровержением локальных реалистических теорий. Превышение классического предела более чем в 13 стандартных отклонений обеспечивает высокую статистическую значимость полученных результатов. Важно отметить, что наблюдаемая яркость излучения превысила показатели предыдущих реализаций на основе радиочастотных методов более чем на два порядка величины, что открывает новые возможности для практического применения запутанных состояний в передовых протоколах квантовой коммуникации и вычислений. Полученные данные не только подтверждают фундаментальные принципы квантовой механики, но и свидетельствуют о значительном прогрессе в создании эффективных источников запутанных фотонов.

Исследование демонстрирует, что истинная проверка корректности квантовых систем лежит не в эмпирических наблюдениях, а в математической строгости. Авторы, создав источник запутанных фотонов на основе квантовой точки, успешно нарушили неравенство ЧШСХ, подтвердив тем самым нелокальность квантовой механики. Как справедливо заметил Джон Белл: «Если бы природа не была странной, то это было бы странно». Эта фраза прекрасно отражает суть работы, ведь нарушение неравенств Белла — это не просто экспериментальный результат, а доказательство фундаментальной природы реальности, где логика классической физики уступает место квантовым вероятностям. Доказательность, а не просто «работает на тестах», — вот ключевой принцип, которому следуют исследователи.

Что дальше?

Представленная работа, демонстрируя нарушение неравенства Белла с использованием суперпозиций вакуума и одного фотона, лишь подчеркивает фундаментальную сложность задачи создания действительно надежных источников запутанных состояний. Достигнутая яркость и эффективность, безусловно, впечатляют, однако необходимо признать, что реальный мир, увы, не является идеальной лабораторией. Проблемы декогеренции, несовершенство оптических элементов и неизбежные потери в каналах связи остаются непреодолимыми препятствиями на пути к практической квантовой коммуникации.

Будущие исследования, вероятно, будут сосредоточены на разработке более устойчивых к шумам квантовых систем. Возможно, акцент сместится от поиска идеальных источников запутанности к созданию эффективных протоколов квантовой коррекции ошибок, способных компенсировать неизбежные потери информации. В конечном итоге, достижение надежной квантовой связи потребует не только математической элегантности алгоритмов, но и практической дисциплины в решении инженерных задач.

В хаосе данных спасает только математическая дисциплина, однако, даже самая изящная теория должна выдержать проверку реальностью. Истинная победа будет достигнута лишь тогда, когда квантовая коммуникация станет не просто лабораторным экспериментом, а надежным инструментом в руках инженера.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2511.15413.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2025-11-20 14:55