Найден новый способ генерации квантовой запутанности электронов

Ученый предложил новый способ расщепления электронных пар с помощью интерферометра Боголюбова. Этот прибор позволяет извлекать из сверхпроводника — материала, cпособного переносить электрический ток без сопротивления, — пары квантово-запутанных электронов, распространяющихся в разные стороны. Эффект интересен для фундаментальной науки, поскольку позволяет управлять квантовыми состояниями заряженных частиц с помощью небольших вариаций магнитного поля. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Physical Review B.

В сверхпроводниках электроны существуют в виде связанных куперовских пар. В такой паре частицы обладают строго противоположными значениями спина, или квантового числа, обозначаемого знаками «+» или «-» и соответствующего направлению вращения частицы. Удивительной особенностью куперовской пары является квантовая запутанность, а именно то, что у отдельного электрона в паре отсутствует не только выделенное направление вращения, но даже не определена ось, вокруг которой это вращение происходит. Все же, несмотря на казалось бы полную неизвестность, если измерить спин одного электрона (допустим, он оказался равен «+»), то спин второго со 100% вероятностью будет противоположным (в данном случае равным «-»). Запутанные пары частиц сохраняют такую «квантовую память» друг о друге даже на огромных расстояниях и благодаря этому очень важны как для фундаментальной науки, так и для технологии, например, для защищенной генерации секретных ключей в квантовой криптографии.

До сих пор для генерации квантовой запутанности используют в основном фотоны — частицы света, — поскольку по-настоящему надежного способа запутывать электроны не существует. Хотя сверхпроводник и служит естественным хранилищем запутанности, расщепить содержащиеся в нем куперовские пары на отдельные электроны оказывается довольно сложно, поскольку для этого нужно извлечь их в другой материал, как правило, полупроводник, и заставить двигаться в разные стороны.

Ученый из Института физики твердого тела имени Ю. А. Осипьяна РАН (Черноголовка) предложил использовать для разделения куперовских пар интерферометр Боголюбова. Именно в этот прибор помещают сверхпроводник, из которого выходят электронные пары. Интерферометр представляет собой двумерный, то есть абсолютно плоский полупроводниковый кристалл, на который действует сильное магнитное поле. При этом попадающие в интерферометр из сверхпроводника электроны могут «выйти» из прибора через две небольшие «щели», называемые квантовыми сужениями.

Такую структуру можно сравнить с беговой дорожкой, по которой частицы двигаются строго в одном направлении, с той разницей, что это движение имеет волновую природу и на каждом следующем круге электронные волны интерферируют друг с другом. Интерференция представляет собой явление, при котором волны либо усиливают, либо гасят друг друга, в зависимости от того, попадает ли «гребень» одной волны на «гребень» или «впадину» другой. При этом, меняя силу магнитного поля в интерферометре, можно управлять интерференционной картиной (изменением амплитуды волн) и, соответственно, вероятностями выхода электронов наружу через то или другое сужение. В результате процесс расщепления куперовских пар можно существенно ускорить по сравнению с другими существующими на сегодняшний день подходами, сохранив эффективность на уровне 50%.

«В некотором смысле, в этом интерферометре куперовская пара много раз выходит из сверхпроводника и возвращается обратно, прежде чем оказаться окончательно расщепленной на два запутанных электрона в противоположных сужениях. Хотя эффективность расщепления получилась пока не самой высокой, сам предложенный принцип может оказаться перспективным для развития, ведь в его основе лежит чисто квантовый подход», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Вадим Храпай, заведующий лабораторией электронной кинетики ИФТТ РАН.