Квантовые флуктуации под контролем: новый подход к формированию фотонов

от

Автор: Денис Аветисян

Исследование демонстрирует возможность управления квантовыми флуктуациями и одиночными фотонами с помощью параметрического преобразования частоты на кремниевом чипе.

🧐

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
В исследовании продемонстрировано манипулирование оптическим PDC в ланжевеновском режиме посредством использования слоёв $SiO_2$ и $Ti/Au$, причём видимость углубления HOM достигает 0.746, 0.840 и 0.851 при мощности накачки 0.3, 4 и 4 мВт соответственно, что подтверждается соответствием экспериментальных данных теоретическим предсказаниям и проявляется в характеристиках спектров фотонов-вестников.
В исследовании продемонстрировано манипулирование оптическим PDC в ланжевеновском режиме посредством использования слоёв $SiO_2$ и $Ti/Au$, причём видимость углубления HOM достигает 0.746, 0.840 и 0.851 при мощности накачки 0.3, 4 и 4 мВт соответственно, что подтверждается соответствием экспериментальных данных теоретическим предсказаниям и проявляется в характеристиках спектров фотонов-вестников.

Впервые реализовано параметрическое преобразование частоты в режиме Ланжевена на волноводном чипе, обеспечивающее контролируемые потери и манипулирование квантовыми состояниями.

Несмотря на фундаментальную роль квантовых флуктуаций в нелинейной оптике, их целенаправленное управление остается сложной задачей. В статье ‘Observation and Manipulation of Optical Parametric Down-Conversion in the Langevin Regime’ впервые продемонстрирована экспериментальная реализация параметрического преобразования частоты в ланжевеновском режиме на чипе волновода. Управляя присущими флуктуациям потерями, авторы наблюдали асимметричный эффект Хонга-Оу-Мандела и компрессию однофотонных состояний почти на порядок величины. Открывает ли это новые перспективы для манипулирования квантовыми флуктуациями и создания передовых квантовых состояний света?

Понимание Квантовых Корреляций: Основы для Будущих Технологий

Основой квантовых информационных технологий является создание и манипулирование запутанными состояниями, такими как бифотоны. Эти коррелированные пары фотонов играют ключевую роль в различных приложениях, включая квантовую криптографию, квантовую телепортацию и квантовые вычисления. Способность надежно генерировать и контролировать бифотоны критически важна для реализации этих передовых технологий. Запутанность, являясь фундаментальным свойством квантовой механики, позволяет создавать связи между фотонами, которые невозможны в классической физике. Именно эти уникальные квантовые корреляции обеспечивают безопасность и эффективность квантовых протоколов, делая бифотоны незаменимым ресурсом для будущего квантовых вычислений и коммуникаций. Сложность заключается в поддержании хрупкой квантовой когерентности этих состояний, что требует точного контроля над параметрами генерации и распространения фотонов.

Традиционные методы генерации запутанных состояний, таких как бифотоны, зачастую требуют использования мощных накачивающих полей. Это обстоятельство накладывает существенные ограничения на практическое применение подобных источников. Высокая интенсивность накачки не только увеличивает энергопотребление, но и усложняет конструкцию оборудования, требуя эффективного отвода тепла и применения специальных материалов. Кроме того, сильные поля могут приводить к нежелательным нелинейным эффектам и ухудшению качества генерируемых фотонов, что снижает эффективность квантовых протоколов. В связи с этим, разработка альтернативных подходов, не требующих мощной накачки, является важной задачей для создания компактных и энергоэффективных квантовых устройств.

Исследование посвящено новому подходу к генерации запутанных фотонов, основанному на использовании квантовых флуктуаций в ланжевеновском режиме для стимулирования параметрического преобразования частоты. В отличие от традиционных методов, требующих мощных накачивающих полей, данный подход позволяет эффективно генерировать бифотоны даже при слабом возбуждении. Квантовые флуктуации, являющиеся неотъемлемой частью вакуума, выступают в качестве движущей силы для процесса, что открывает перспективы для создания компактных и энергоэффективных квантовых устройств. Этот метод позволяет обойти ограничения, связанные с необходимостью поддержания высоких интенсивностей, и делает возможным развитие миниатюрных квантовых технологий, не требующих сложной и дорогостоящей аппаратуры для накачки.

Исследование демонстрирует перспективный подход к генерации парных фотонов, основанный на использовании квантовых флуктуаций, что позволяет добиться высокой эффективности даже при слабом накачке. Этот метод открывает возможности для создания компактных квантовых устройств и технологий, поскольку снижает требования к мощности и размерам оборудования. В ходе экспериментов удалось добиться сжатия волнового пакета одиночного фотона до 11,5% от его первоначального размера, что приблизительно в 100 раз меньше длины волны. Такое значительное сжатие повышает точность измерений и улучшает характеристики квантовых систем, что делает данную технологию особенно привлекательной для развития миниатюрной квантовой оптики и сенсорики.

Экспериментальные данные демонстрируют, что флуктуационно-управляемый PDC с позиционно-зависимыми потерями обеспечивает корреляционные функции Глаубера, спектры бифотонов и интерференцию HOM с шириной FWHM от 0.14 мм до 0.78 мм и видимостью от 0.89 до 0.98, при этом исключение ланжевеновского члена влияет на интерференционную картину.
Экспериментальные данные демонстрируют, что флуктуационно-управляемый PDC с позиционно-зависимыми потерями обеспечивает корреляционные функции Глаубера, спектры бифотонов и интерференцию HOM с шириной FWHM от 0.14 мм до 0.78 мм и видимостью от 0.89 до 0.98, при этом исключение ланжевеновского члена влияет на интерференционную картину.

Ланжевеновский Режим: Новый Взгляд на Квантовую Оптику

Режим Ланжевена, характеризующийся значительными потерями в системе, требует применения теоретического подхода, отличного от стандартных возмущающих методов. В условиях существенной диссипации, стандартные методы теории возмущений становятся неэффективными из-за расходимости рядов. Это связано с тем, что вклад высших порядков в разложение по параметру взаимодействия становится сопоставим с низшими, а пренебрежение ими приводит к нефизическим результатам. В таких ситуациях необходимо использовать непертурбативные методы, такие как уравнение Ланжевена, которое явно учитывает флуктуации и диссипативные силы, действующие на систему, обеспечивая корректное описание динамики в условиях сильных потерь. Данный подход позволяет адекватно моделировать процессы, где вклад шума и потерь существенно влияет на наблюдаемые характеристики.

Для описания процесса параметрического преобразования частоты (ППЧ) с учетом квантовых флуктуаций используется формализм Гейзенберга-Ланжевена. В рамках данного подхода, операторы поля рассматриваются как динамические переменные, эволюционирующие во времени согласно уравнениям Гейзенберга. К этим уравнениям добавляются случайные силы Ланжевена, представляющие квантовый шум, возникающий из-за вакуумных флуктуаций электромагнитного поля. Такое добавление позволяет корректно учитывать влияние квантовых шумов на характеристики генерируемых когерентных состояний сигнала и холостого хода, что особенно важно в режимах с высокой потерей, где классические методы оказываются неадекватными. Математически, случайные силы описываются корреляционными функциями, связанными с операторами рождения и уничтожения фотонов.

В рамках данной формализации, эволюция полей сигнала и холостого хода моделируется с использованием уравнений медленно меняющейся огибающей. Такой подход позволяет упростить описание динамики, предполагая, что частоты несущих полей сигнала и холостого хода значительно превышают скорости изменения амплитуд этих полей. Это позволяет пренебречь быстроосциллирующими членами в уравнениях Максвелла и сосредоточиться на медленных изменениях амплитуд, что существенно упрощает математический аппарат и позволяет получить аналитические решения для характеристик параметрического преобразования. Уравнения медленно меняющейся огибающей представляют собой нелинейные дифференциальные уравнения в частных производных, описывающие эволюцию амплитуд полей во времени и пространстве, и являются основой для анализа характеристик процесса параметрического рассеяния.

Предыдущие исследования параметрического рассеяния рентгеновского излучения (X-ray PDC) продемонстрировали эффективность применения ланжевеновской теории для описания процессов в условиях сильных потерь. Экспериментальные результаты, полученные в этих работах, показали соответствие теоретическим предсказаниям, основанным на формализме Ланжевена, подтверждая адекватность данного подхода для анализа нелинейных оптических явлений в рассматриваемых режимах.

Моделирование корреляционных функций и спектров бифотонов показало, что учет ланжевеновских членов необходим для точного предсказания интерференции HOM, подтвержденного экспериментальными данными, при параметрах αs = 87.00 м⁻¹ и αi = 29.77 м⁻¹.
Моделирование корреляционных функций и спектров бифотонов показало, что учет ланжевеновских членов необходим для точного предсказания интерференции HOM, подтвержденного экспериментальными данными, при параметрах αs = 87.00 м⁻¹ и αi = 29.77 м⁻¹.

Интегрированная Платформа: Миниатюризация Квантового Источника

Для реализации параметрического преобразования частоты, а именно спонтанного параметрического рассеяния (SPDC), была изготовлена интегральная схема волноводного типа на основе кристалла ниобата лития (LiNbO3). В качестве материала для каналов волновода использован диффундированный титан (Ti). Технология диффузии титана позволяет создавать волноводы с низкими потерями и обеспечивает эффективное управление световым лучом внутри кристалла. Выбор ниобата лития обусловлен его высокой нелинейностью и прозрачностью в широком диапазоне длин волн, что необходимо для эффективного SPDC и генерации запутанных фотонов.

Интегрированная платформа на основе волноводного чипа обеспечивает эффективный сбор фотонов благодаря компактной геометрии и близкому расположению источников и детекторов. Миниатюризация источника квантовых пар, реализованная посредством интеграции, позволяет существенно уменьшить габариты и вес устройства, делая возможным его применение в портативных квантовых системах и устройствах. Эффективность сбора фотонов напрямую влияет на скорость генерации и общую производительность квантового источника, а уменьшение размеров способствует повышению стабильности и снижению шумов.

Чип разработан для работы в ланжевеновском режиме, что обеспечивает максимальное влияние квантовых флуктуаций на процесс спонтанного параметрического рассеяния. В данном режиме, характеризующемся низкой интенсивностью накачки, статистические флуктуации вакуума доминируют над классическим шумом. Это позволяет генерировать коррелированные фотоны, где характеристики пар фотонов напрямую зависят от этих квантовых флуктуаций. Режим работы обеспечивает высокую степень корреляции между сгенерированными фотонами, что критически важно для приложений в квантовой криптографии и квантовых вычислениях. Параметры чипа, включая длину волны накачки и геометрию волновода, оптимизированы для эффективного возбуждения процесса в ланжевеновском режиме и максимизации наблюдаемого эффекта квантовых флуктуаций.

Реализованная схема позволяет генерировать пары запутанных фотонов с улучшенными характеристиками благодаря оптимизации параметров фазового согласования и эффективному сбору фотонов на чипе. В частности, достигается повышенная яркость пар, что критически важно для приложений квантовой криптографии и квантовых вычислений. Характеристики запутанности, такие как степень корреляции и видимость интерференции, также оптимизированы для достижения максимальной производительности источника, что подтверждается экспериментальными измерениями параметров квантового состояния генерируемых фотонов. $g^{(2)}(0) < 0.5$ свидетельствует о неклассическом характере излучения и высокой степени запутанности.

В исследуемой титан-диффундированной волноводной структуре PPLN, состоящей из чередующихся слоев SiO2, Ti и Au различной длины, осуществляется интерференция высших модов (HOM) и спектральный анализ с использованием внешней резонаторной лазерной системы, оптической схемы и однофотонного детектора.
В исследуемой титан-диффундированной волноводной структуре PPLN, состоящей из чередующихся слоев SiO2, Ti и Au различной длины, осуществляется интерференция высших модов (HOM) и спектральный анализ с использованием внешней резонаторной лазерной системы, оптической схемы и однофотонного детектора.

Экспериментальное Подтверждение Запутанности: Интерференция Хонга-Оу-Мандела

Для характеристики неразличимости генерируемых бифотонных пар был использован интерференционный эксперимент Хонга-Оу-Мандела (HOM). В данном методе, два фотона, направленные на полупрозрачное зеркало, интерферируют. Если фотоны неразличимы, вероятность одновременного прохождения обоих фотонов через зеркало снижается, что проявляется в виде характерной интерференционной картины с минимумом. Наблюдение данного минимума является подтверждением квантовой природы генерируемых пар фотонов и свидетельствует о высокой степени их неразличимости. Анализ ширины и глубины интерференционной картины позволяет оценить параметры волновых пакетов фотонов и степень их когерентности.

Наблюдение характерного провала Хонга-Оу-Мандела (HOM) является прямым подтверждением квантовой природы генерируемых пар фотонов. Данный эффект возникает вследствие интерференции двух неразличимых фотонов на светоделителе и проявляется в виде уменьшения числа совпадений детекторов при определенной задержке между фотонами. Классическая теория света не может объяснить данное явление, в то время как квантовая механика предсказывает его наличие. Глубина и форма провала HOM напрямую связаны со степенью неразличимости фотонов, что позволяет использовать этот эффект для характеризации источников запутанных фотонов и проверки их квантовых свойств. Отсутствие провала HOM свидетельствовало бы о классической природе излучения.

Для точного описания волновых пакетов генерируемых бифотонов использовалась функция Глаубера корреляции. Данная функция позволяет учесть неклассические корреляции между фотонами, что необходимо для корректного моделирования интерференционных эффектов, таких как интерференция Хонга-Оу-Мандела (HOM). Математически, функция Глаубера выражается как $g^{(2)}(\tau)$, где $\tau$ – временная задержка. Анализ $g^{(2)}(\tau)$ позволяет определить степень корреляции между фотонами и, следовательно, их квантовую природу. Использование функции Глаубера обеспечивает более точное представление о временном и спектральном распределении бифотонных состояний по сравнению с классическими методами.

В ходе измерения интерференции Хонга-Оу-Мандела (HOM) были получены следующие результаты: ширина на полувысоте (FWHM) HOM-дипа составила 0.78 мм при $L_1 = 0$, 0.60 мм при $L_1 = 0.3L$, 0.37 мм при $L_1 = 0.6L$ и 0.14 мм при $L_1 = 0.9L$. При этом, видимость интерференции составила 0.746, 0.840 и 0.851 соответственно. Данные значения FWHM и видимости свидетельствуют о высокой степени неразличимости генерируемых бифотонных пар и подтверждают квантовую природу источника.

Измерения показали, что ширина полосы на полувысоте (FWHM) спектральной линии для фотонов-холостых (idler) составляла 2.89 нм, 4.87 нм и 16.6 нм, в то время как для сигнальных фотонов соответствующие значения составляли 3.53 нм, 4.95 нм и 13.35 нм. Данные значения характеризуют спектральную ширину генерируемых бифотонных состояний и влияют на наблюдаемую степень интерференции в экспериментах по типу Hong-Ou-Mandel. Отмеченные различия в FWHM для сигнальных и холостых фотонов могут быть связаны с особенностями используемой схемы генерации спонтанного параметрического рассеяния (SPDC) и характеристиками нелинейного кристалла.

Перспективы Развития: К Масштабируемым Квантовым Технологиям

Данная работа представляет собой значительный шаг на пути к созданию компактных и эффективных источников квантового света. Исследователи продемонстрировали подход, позволяющий существенно уменьшить размеры и энергопотребление устройств, генерирующих одиночные фотоны и запутанные пары фотонов. В основе разработки лежит оптимизация нелинейных оптических процессов в наноструктурированных материалах, что позволяет достичь высокой эффективности преобразования энергии накачки в излучение в квантовом диапазоне. Это открывает перспективы для интеграции квантовых источников света непосредственно на чипы, что является ключевым требованием для создания масштабируемых квантовых схем и систем связи нового поколения. Полученные результаты подтверждают возможность создания практичных и доступных квантовых технологий, способных найти применение в различных областях, от криптографии до квантовых вычислений и сенсорики.

Разработка источников спутанных фотонов, функционирующих при слабом накачке, открывает перспективные возможности для создания компактных квантовых схем непосредственно на чипе. Традиционно, генерация спутанных фотонов требовала мощных лазерных импульсов и сложных оптических систем, что затрудняло их интеграцию в миниатюрные устройства. Однако, благодаря использованию новых материалов и наноструктур, стало возможным генерировать высококачественные пары спутанных фотонов, используя лишь небольшую энергию. Это позволяет значительно уменьшить размеры и энергопотребление квантовых устройств, приближая реализацию практических квантовых вычислений и коммуникаций. Такой подход особенно важен для создания масштабируемых квантовых сетей и интеграции квантовых технологий в существующую электронную инфраструктуру, поскольку позволяет размещать большое количество квантовых элементов на единой подложке, минимизируя потери и обеспечивая высокую скорость передачи информации.

Исследования показали, что формирование отдельных фотонов позволяет точно настраивать их свойства для конкретных применений в квантовых технологиях. Используя различные оптические элементы и методы управления, ученые могут изменять спектральную ширину, временную форму и поляризацию излучаемых фотонов. Это открывает возможности для создания специализированных источников света, оптимизированных для квантовой криптографии, квантовых вычислений и других передовых приложений. Например, можно создавать фотоны с узким спектром для повышения эффективности передачи информации или формировать фотоны с определенной пространственной модой для улучшения взаимодействия с квантовыми устройствами. Возможность точной настройки свойств фотонов является ключевым шагом на пути к созданию масштабируемых и эффективных квантовых систем, позволяя адаптировать источники света к требованиям конкретных квантовых протоколов и архитектур.

Генерация фотонов, запутанных по времени и энергии, существенно расширяет возможности применения данного источника в передовых протоколах квантовой связи. В отличие от традиционных методов, где запутанность ограничивается поляризацией или импульсным моментом, временная запутанность позволяет создавать квантовые ключи, устойчивые к определенным типам атак, а также обеспечивает повышенную пропускную способность канала связи. Использование таких фотонов позволяет реализовывать протоколы квантового распределения ключей (QKD) на больших расстояниях и в сложных условиях, поскольку временная запутанность менее чувствительна к потерям и декогеренции сигнала. Более того, данная технология открывает перспективы для реализации новых протоколов квантовой связи, таких как квантовая телепортация и сверхплотное кодирование, требующих высокой степени запутанности и контроля над квантовыми состояниями фотонов. Возможность генерации запутанных фотонов с регулируемыми характеристиками временной запутанности делает данное устройство перспективным компонентом для будущих квантовых коммуникационных сетей.

Исследование, представленное в данной работе, демонстрирует, как контролируемые потери могут быть использованы для манипулирования квантовыми флуктуациями в процессе параметрического преобразования частоты. Это напоминает фундаментальное понимание системы, её закономерностей, подобно тому, как Пол Дирак однажды заметил: «Я не создаю математику, я её открываю». Подобно тому, как физик открывает законы природы, данное исследование раскрывает возможности управления одиночными фотонами и их взаимодействием, используя волноводные чипы. В основе лежит принцип, что даже случайные флуктуации, такие как тепловой шум, могут быть использованы для формирования желаемых квантовых состояний, открывая путь к новым технологиям в области квантовой оптики и обработки информации.

Куда же дальше?

Представленная работа, подобно тщательно настроенному микроскопу, позволила заглянуть в мир квантовых флуктуаций, ранее скрытых за завесой шума. Реализация параметрического преобразования в режиме Ланжевена на волноводном чипе открывает путь к манипулированию одиночными фотонами посредством контролируемых потерь – элегантное решение, но лишь первый шаг. Остается нерешенной задача создания действительно масштабируемых систем, где контроль над каждым фотоном не превращается в непосильную вычислительную задачу. Управление квантовым шумом – это не подавление, а скорее направление его энергии, и в этом кроется истинный вызов.

Следующим этапом видится разработка более сложных архитектур волноводных чипов, способных генерировать и обрабатывать запутанные состояния множества фотонов. Интерференция HOM, продемонстрированная в данной работе, является лишь намеком на потенциал когерентного управления квантовыми битами. Однако, необходимо учитывать, что каждый дополнительный элемент в системе вносит свой вклад в декогеренцию, превращая идеальную квантовую картину в размытое пятно. Искусство заключается в том, чтобы найти баланс между сложностью и стабильностью.

В конечном счете, исследование флуктуаций – это не просто поиск новых технологий, но и философское размышление о природе случайности и детерминизма. Модель, предложенная в данной работе, показывает, что даже в хаосе можно найти закономерности, если смотреть на него под правильным углом. И пусть эта работа не является конечной точкой, она, безусловно, указывает направление, в котором следует двигаться, чтобы раскрыть еще больше тайн квантового мира.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2511.10556.pdf

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

Смотрите также:

2025-11-16 21:08