Физики впервые экспериментально создали коллективную квантовую запутанность, основанную на темных состояниях. Для этого им пришлось точно настроить резонатор, в котором находились квантовые точки.
Квантово-запутанными считаются частицы, чье квантовое состояние зависимо друг от друга. Изменение одной частицы со скоростью света отразится на другой, как бы далеко они ни находились. Запутанное множество неразличимых частиц обычно оказывается в ярком или темном состоянии, если классифицировать их по взаимодействию с фотонами.
Темные состояния характеризуются почти полной невидимостью для излучаемого света. В этой конфигурации атомы или молекулы не могут поглощать и излучать фотоны. Они слабо взаимодействуют с электрическим полем, живут долго, устойчивы к внешним воздействиям.
Их непросто изучать — часто физики рассчитывают именно на взаимодействие материи с фотонами для исследования характеристик объектов. Стабильность темных состояний делает их перспективными кандидатами для технологий квантовой памяти и создания сверхчувствительных сенсоров.
Группа корейских ученых добилась контролируемого создания коллективной запутанности на основе темного состояния. Она демонстрирует в 600 раз большее время жизни, чем у ярких состояний, поглощающих и излучающих фотоны без проблем. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Создание и поддержание темных состояний долгое время представляли существенные экспериментальные трудности. В новой работе ученые использовали нанорезонатор с тщательно настроенным коэффициентом затухания колебаний. Они настроили систему так, что процессы создания коллективной запутанности между квантовыми точками точно компенсировали ее разрушение.
Во время экспериментов группа смогла сохранить запутанность в темном состоянии в течение 36 наносекунд. Яркие состояния позволяют достичь времени жизни только в 62 пикосекунды. Использование темного варианта продлило время жизни запутанности более чем в 580 раз. В то же время ученые зафиксировали неклассическую группировку фотонов — прямое доказательство формирования темного состояния.
«Эта экспериментальная реализация запутанности в темном состоянии — ранее лишь теоретическая — показывает, что мы можем сохранять квантовые корреляции в течение продолжительного времени, аккуратно управляя потерями в резонаторе. Это открывает новые пути для хранения квантовой информации, изготовления высокоточных сенсоров и технологий сбора энергии на основе квантовых принципов», — пояснил первый автор исследования доктор КюЁн Ким (KyuYoung Kim).