Новое квантовое устройство использует кристаллические слои для генерации запутанных фотонов

Исследователи по всему миру уже много лет гонятся за идеей квантовой запутанности в устройстве.
Эта концепция, которую часто называют «жутким действием на расстоянии», возникает, когда две частицы оказываются связанными друг с другом настолько сильно, что изменение состояния одной из них мгновенно меняет состояние другой - даже если они находятся за тысячи километров друг от друга.
Впервые ученые обсудили эту идею еще в 1935 году, и она вызвала страстные споры в физическом сообществе.
Самая большая проблема для квантовых устройств
Классические методы исследования показывали, что для генерации запутанных фотонов часто требовались большие кристаллы и огромное количество энергии. Маленькие, более эффективные системы долгое время оставались своего рода святым Граалем для инженеров квантовых устройств.
Многие считали, что более легкий и компактный подход может стать реальным шансом для квантовых телекоммуникаций и вычислений.
Однако проблемы с разработкой продолжали расти, и специалисты изо всех сил пытались уменьшить необходимые компоненты настолько, чтобы они поместились на чипе.
P. Джеймс Шак, доцент кафедры машиностроения в Колумбийском инженерном университете, помог направить новые усилия на преодоление этих препятствий.
Он и его коллеги создали новый источник запутанной пары фотонов, который эффективнее предыдущих моделей и при этом занимает гораздо меньше места.
Их работа, опубликованная в журнале Nature Photonics, демонстрирует метод, позволяющий снизить энергопотребление и втиснуть все в устройство толщиной всего 3,4 микрометра.
Более пристальный взгляд на ван-дер-ваальсовы материалы
Прорывное квантовое устройство основано на стопке из шести ультратонких кристаллов, изготовленных из дисульфида молибдена. Исследователи поворачивали каждый кусочек на 180 градусов по отношению к слою, расположенному выше и ниже.
Они использовали подход, называемый квазифазовым согласованием, который изменяет свойства света таким образом, что позволяет создавать парные фотоны.
Ученые уже давно используют квазифазовое согласование, но обращение к ван-дер-ваальсовым полупроводникам для этого процесса было смелым шагом, поскольку эти материалы способны вместить впечатляющие оптические возможности в чрезвычайно узкое пространство.
Подавление интерференции в крошечных слоях
Периодическое переворачивание каждого кристаллического среза решает классическую проблему интерференции.
Когда световые волны движутся в одинаковых направлениях в определенных материалах, они начинают отменять друг друга, что ограничивает производительность.
Этот трюк с периодическим переворачиванием позволяет сдерживать волны и сохранять нужные сигналы.
«Эта работа представляет собой воплощение давно поставленной цели - соединить макроскопическую и микроскопическую нелинейную и квантовую оптику», - говорит Шак.







