Китайские физики продемонстрировали работу квантового фильтра, который превращает незапутанное состояние пары фотонов в запутанное. Его работа основана на селективности холодного атомного газа к двухфотонному поглощению, основанной на явлении ридберговской блокады. Реализованный учеными фильтр демонстрирует степень соответствия целевому состоянию, равную почти ста процентам, но пока страдает от небольшой эффективности хранения и считывания запутанности. Исследование опубликовано в Nature Photonics.
Квантовая запутанность фотонов оптического диапазона — это ценнейший ресурс, который сегодня используется для создания квантовых сетей и квантовых вычислений. Популярные способы создания пары таких частиц — это спонтанное параметрическое рассеяние и четырехволновое смешение в кристаллах или волокнах, но физики пробуют и другие источники: атомы в резонаторах, квантовые точки, метаповерхности и многое другое.
Существует и иной, менее популярный подход к генерации запутанности. Он основан на фильтрации квантовых состояний пары незапутанных фотонов. Работа существующих квантовых фильтров основана на том, что запутанность рождается в одном из выходных каналов системы традиционных оптических элементов, чувствительных к поляризации.
Проблема этого подхода в том, что эффективность такой схемы вероятностная, а потому не превышает 1/16. Вместе с необходимостью привлечения дополнительных квантовых ресурсов этот факт существенно ограничивает масштабируемость схем для генерации запутанных фотонов на основе квантовых фильтров. Этих проблем лишен подход к фильтрации на основе нелинейных оптических элементов, предложенный китайскими физиками под руководством Линя Ли из Хуачжунского университета науки и технологий.
Принцип работы нового квантового фильтра можно понять, если рассмотреть моду с двумя незапутанными фотонами a и b, чьи состояния описываются суперпозицией горизонтальной и вертикальной поляризации (|H⟩+|V⟩). Полное двухчастичное состояние описывается через произведение этих скобок для каждого фотона. Если раскрыть скобки, то получится три члена: |H⟩a|H⟩b и |V⟩a|V⟩b описывают вклад в суперпозицию от ситуации, когда оба фотона имеют одинаковую поляризацию, а (|H⟩a|V⟩b+|V⟩a|H⟩b) — это и есть целевое запутанное состояние (физики обозначили его |Ψ+⟩. В схеме, предложенной физиками, фильтр «вырезает» из суперпозиции члены, соответствующие одинаковой поляризации, оставляя лишь |Ψ+⟩.
Чтобы такое было возможным элементы фильтра должны быть нелинейными и поглощать свет только парами. В своей работе физики использовали для этого холодный газ атомов рубидия, загруженный в оптическую ловушку. По разной части этого газа пролегали траектории света, разделенные поляризационным светоделителем. Это значит, что каждому пути соответствовала своя поляризация.
Физики заранее подготавливали газ таким образом, чтобы прилетающие фотоны возбуждали его атомы в ридберговские состояния. Ученые полагались на режим ридберговской блокады: два фотона не могли одновременно поглотиться в одной части газа и пролетали мимо. Атомы поглощали свет только тогда, когда фотоны двигались по разным траекториям — этому соответствует состояние моды |Ψ+⟩, которую авторы извлекали из атомов по окончанию процедуры.
Проводя томографию выходного света, физики зафиксировали степень соответствия извлеченного света состоянию |Ψ+⟩, равную 98,8(5) процента. Они также экспериментировали с разными ридберговскими уровнями и временем хранения, чтобы исследовать влияние декогеренции, обусловленной взаимодействием двух тел. В другом опыте авторы убедились, что их квантовый фильтр демонстрирует высокую степень соответствия даже для произвольной комбинации поляризаций в начальном состоянии.
Слабым местом фильтра остаются невысокие эффективности хранения (до 24 процентов) и считывания (до 36 процентов). Чтобы довести итоговую эффективность до единицы, авторы в будущем планируют поместить атомы в оптический резонатор. Кроме того, схема может быть улучшена с помощью протоколов неразрушающих измерений для объявления генерации запутанной пары, а также применена к другим состояниям из четверки Белла.
Явление ридберговской блокады не впервые пытаются применить к задаче запутывания фотонов. Ранее мы рассказывали, как в этом может помочь способность ридберговского атома подавлять прозрачность атомного слоя вокруг себя.