Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) разрабатывает новое оружие. Пентагон финансирует исследования в Вашингтонском университете в Сент-Луисе и Техасском университете A&M для создания прототипа революционного квантового лазера. Новый лазер призван преодолеть ограничения существующих моделей, включая способность проникать сквозь туман и сохранять эффективность на больших расстояниях.
Лазер кардинально изменил технологии с момента появления в 1960 году и до сих пор пользуется широким применением. В военной сфере он незаменим для целеуказания, спутниковой связи и навигации (в частности, лидара). Недавно лазеры стали применяться для создания оружия направленной энергии, которое уничтожает мелкие цели, например, беспилотники или ракеты. Но эта технология несовершенна. Лазер усиливает и концентрирует свет, а значит, менее точен в сложных условиях: тумане, экстремальных температурах или на больших расстояниях.
DARPA выделяет 930 000 долларов на двухлетнюю исследовательскую программу под руководством Юнг-Цунга Шена для улучшения характеристик лазера. Шен, доцент Вашингтонского университета и специалист в области устройств для управления светом, вместе с командой разрабатывает лазер, использующий квантовую запутанность для повышения производительности. Новый прототип назвали «квантовым фотонным лазером».
Лазеры функционируют за счёт колебания электронов атомов в унисон. В результате перехода в низкоэнергетическое состояние электроны испускают когерентный свет с одинаковой длиной волны и фазой. Затем луч проходит между зеркалами внутри устройства, чтобы его сконцентрировать и усилить, формируя лазерный луч.
Так как фотоны с трудом взаимодействуют между собой, идея заключается в точном контроле двух частиц света (называемых фотонными димерами) одновременно, чтобы использовать их пару для получения мощного и однородного лазерного луча. В этом ключевом моменте важна «квантовая» часть системы. При запутанности фотонов их квантовые состояния связаны и влияют друг на друга мгновенно, даже если их разделяют тысячи километров. Квантовая запутанность, первоначально выделенная Эйнштейном, Подольским и Розеном в 1935 году как парадокс (ЭПР) для критики квантовой механики, была подтверждена экспериментами, особенно работами Алена Аспекта в 1980-х годах. Его эксперименты подтвердили явление нелокальности и нарушение неравенств Белла (за что он получил Нобелевскую премию по физике в 2022 году). С тех пор проводились эксперименты, показывающие квантовую запутанность на все больших расстояниях.
«Фотоны передают информацию во время своего передвижения, однако прохождение сквозь атмосферу наносит им урон. «, — говорит Шен. «Два связанных квантовым образом фотона испытывают влияние атмосферы, однако способны защищать друг друга, сохраняя часть фазовой информации. «, — добавил он.
Как спутать два протона без заряда? Шен нашёл решение: связать фотоны разной длины волны. Запутанные частицы света демонстрировали поведение синего фотона, что позволяло изменять их одновременно, сохраняя однородность работы лазера. Теперь Шен и его команда планируют разработать квантовый фотонный лазер, способный управлять различными квантовыми состояниями со скоростью миллиона пар (фотонов) в секунду. В итоге лазер сможет сохранять точность и мощность независимо от погодных условий.