Ученые создали устройство для генерации множества частотно-запутанных фотонов

Исследователи разработали новое устройство, способное эффективно создавать множественные частотно-запутанные фотоны — задача, недостижимая для современных оптических технологий. Этот подход может открыть путь к более мощным системам квантовой связи и вычислений.

Фотоны изначально движутся по волноводу без взаимодействия (1) и не являются частотно-запутанными. Достигнув квантовой точки, она переходит в возбужденное состояние и переизлучает два входящих фотона (2). Фотоны становятся частотно-запутанными и удаляются от квантовой точки (3). [Некоторые элементы изображения были созданы с помощью ChatGPT.] Автор: Мохамед Мегебель, Telecom Paris, Institut Polytechnique de Paris

«Эффективное запутывание частиц — это критически важная возможность для раскрытия всей мощи квантовых технологий — будь то ускорение вычислений, преодоление фундаментальных пределов в прецизионных измерениях или гарантия абсолютной безопасности с использованием законов квантовой физики», — сказал Николя Фабр из Telecom Paris в Institut Polytechnique de Paris.

В журнале Optica Quantum ученые сообщают о результатах численного моделирования своего устройства. Оно использует квантовую точку для запутывания частот независимых фотонов без необходимости последующей фильтрации или отбора конкретных взаимодействий. Процесс можно повторять для запутывания множества фотонов, и он совместим с платформами фотоники на чипе, что открывает реалистичный путь к масштабируемому, многофотонному частотному запутыванию.

«Запутанные фотоны, производимые этим устройством, могли бы преодолевать большие расстояния и помогать гарантировать взломоустойчивую связь — даже перед будущими квантовыми компьютерами, — сказал Фабр. — Поскольку устройство работает на телекоммуникационных длинах волн, запутанные фотоны можно использовать для создания протяженных квантовых сетей с уже проложенными в земле волокнами».

Создание спектров

Устройство получило название «формирующий частотный запутывающий вентиль» (FrEnGATE). Обычно два фотона проходят друг сквозь друга без взаимодействия, но FrEnGATE содержит волновод с квантовой точкой, которая действует как искусственный атом. При правильных временных условиях квантовая точка функционирует как временный посредник, заставляя цвета фотонов коррелировать и формируя частотно-запутанные состояния, известные как кудиты. Эти состояния кудитов могут нести больше информации на один фотон, чем простые двухуровневые состояния (кубиты), производимые большинством квантовых систем.

«FrEnGATE "ваяет" совместный спектр двух фотонов, превращая простые входные фотоны в частотно-запутанное квантовое состояние на выходе», — пояснил Николя Фабр.

Моделирование запутанности

Для проверки концепции исследователи создали детальную компьютерную модель реалистичной квантовой точки в волноводе. Моделирование показало, что изготовление FrEnGATE должно быть осуществимо благодаря последним достижениям в технологии чистых комнат, позволяющим инженерам управлять внутренней структурой квантовых точек и внедрять их в низкопотерные волноводы.

Исследователи оценивают вероятность успешной генерации частотно-запутанного фотонного состояния при каждой попытке в 15%. Это значительное улучшение по сравнению с вероятностью, получаемой при использовании нелинейных кристаллов, которые могут создавать новые запутанные фотоны «с нуля», но не способны запутывать уже существующие.

По словам авторов, повышение вероятности генерации состояния будет важно для создания практических систем. Кроме того, для создания экспериментальной версии FrEnGATE потребуется точная инженерия внутренней структуры квантовой точки, силы связи и тонкого расщепления структуры.

Больше информации: Mohamed Meguebel et al, Generation of frequency entanglement with an effective quantum dot-waveguide two-photon quadratic interaction, Optica Quantum (2025). DOI: 10.1364/opticaq.571592

Источник: Optica