Ученые-физики впервые получили экспериментальные данные о создании коллективной квантовой запутанности, использующей темные состояния. Для этого потребовалась точная настройка резонатора, содержащего квантовые точки.
Квантово-запутанными называют частицы, чьи квантовые состояния взаимосвязаны. Изменение состояния одной частицы мгновенно, со скоростью света, повлияет на другую, независимо от расстояния между ними. Запутанный набор неразличимых частиц обычно находится в состоянии яркости или темноты, если рассматривать их с точки зрения взаимодействия с фотонами.
Темные состояния практически не излучают свет, что делает их незаметными. В таком состоянии атомы или молекулы не способны поглощать и испускать фотоны. Они демонстрируют слабое взаимодействие с электрическим полем, обладают высокой стабильностью и долговечностью, а также устойчивы к воздействиям извне.
Изучение этих явлений представляет собой сложную задачу, поскольку физики зачастую используют взаимодействие материи с фотонами для анализа свойств объектов. Стабильность темных состояний делает их перспективными кандидатами для технологий квантовой памяти и создания сверхчувствительных сенсоров.
Корейские ученые провели успешный эксперимент по управляемому созданию коллективной запутанности, используя темное состояние. Полученные результаты показали, что оно обладает временем жизни в 600 раз превышающим время жизни обычных, «ярких» состояний. Темное состояние позволяет поглощать и испускать фотоны без каких-либо затруднений. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Долгое время создание и поддержание темных состояний представляло собой серьезную проблему для экспериментаторов. В новой работе ученые применили нанорезонатор, характеристики которого были точно подобраны. Система была настроена таким образом, что процессы формирования коллективной запутанности между квантовыми точками точно компенсировали ее разрушение.
В ходе проведенных опытов ученым удалось поддерживать состояние запутанности в темном состоянии на протяжении 36 наносекунд. Запутанные состояния в ярком состоянии существуют значительно меньше – всего 62 пикосекунды. Применение темного состояния увеличило время существования запутанности более чем в 580 раз. Кроме того, исследователи зарегистрировали неклассическую группировку фотонов, что служит прямым подтверждением формирования темного состояния.
«Эта экспериментальная демонстрация запутанности в темном состоянии, которая до этого существовала лишь в теории, демонстрирует возможность сохранения квантовых корреляций на протяжении длительного периода времени благодаря точному контролю потерь в резонаторе. Это открывает новые перспективы для хранения квантовой информации и создания высокоточных сенсоров и технологий сбора энергии на основе квантовых принципов», — пояснил первый автор исследования доктор КюЁн Ким ( KyuYoung Kim).