Ученые ИТМО создали новую методику проектирования устройств для генерации пар запутанных фотонов

Ученые из Университета ИТМО (Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики) разработали методику проектирования более производительных и компактных устройств для генерации пар запутанных фотонов. По словам исследователей, разработка может качественно повлиять на развитие квантовых устройств и защищенных систем коммуникации. Работа была опубликована в журнале Physical Review Letters.

Запутанные фотоны широко используются в квантовой передаче данных и считаются основой будущих квантовых компьютеров. Квантовая запутанность происходит, когда запутанные частицы с одинаковым квантовым состоянием «чувствуют» друг друга на больших расстояниях. Измеряя состояние одного запутанного фотона, ученые определяют состояние другого.

Следует отметить, что запутанные частицы рождаются, когда один фотон распадается на два или три фотона с меньшей энергией. Подобные частицы необходимо генерировать с высокой производительностью в специальных условиях. Сейчас на миллиард прошедших по оптоволокну фотонов приходится только одна пара запутанных частиц. Установки, которые их генерируют, достаточно массивны. При этом более эффективные способы генерации можно реализовать только при очень низких температурах.

Исследователи из Университета ИТМО совместно с коллегами из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе и Австралийского национального университета разработали метод расчета, в основе которого лежит функция Грина. При генерации запутанных частиц фотоны превращают в запутанные плазмоны (фотон с электрическим дополнением), а затем, сохраняя их запутанность, обратно в фотоны.

Таким образом, количество запутанных фотонов можно увеличить в десятки раз, пропуская свет через особую нанорешетку, состоящую из металлических слоев. Квантовая запутанность усиливается за счет сильного электрического поля, возникающего в нанорешетке.

Согласно авторам работы, этот теоретический метод позволит проектировать значительное количество квантовых устройств (компонентов оптических компьютеров и защищенных систем связи), металлические метаматериалы, волноводы, приборы для генерации двух или трех запутанных фотонов, а также приборов, где происходит слияние нескольких фотонов в один.