Квантовая запутанность в тёмных состояниях сохраняется в 600 раз дольше

Квантовые точки и расстройка полости. a Схема воздушно-подвешенной полости hole-CBG в мембране InAs/GaAs и измерение корреляции фотонов. b–d Нормированные спектры (вверху) и кривые корреляции фотонов (внизу) для двух квантовых точек, связанных с полостью, при различных расстройках полости с использованием непрерывного лазера 790 нм. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61629-w

Исследовательская группа, связанная с Ульсанским национальным институтом науки и технологий (UNIST), успешно продемонстрировала экспериментальное создание коллективной квантовой запутанности, основанной на тёмных состояниях — ранее это было возможно только в теоретических моделях. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

В отличие от ярких состояний, тёмные состояния обладают высокой устойчивостью к внешним воздействиям и демонстрируют значительно увеличенное время жизни, что делает их перспективными кандидатами для квантовых технологий следующего поколения, таких как квантовая память и сверхчувствительные сенсоры.

Под руководством профессора Дже-Хён Кима с кафедры физики UNIST, в сотрудничестве с доктором Чанхёпом Ли из Корейского исследовательского института стандартов и науки (KRISS) и доктором Джин Дон Сон из Корейского института науки и технологий (KIST), команда добилась контролируемого создания коллективной запутанности на основе тёмных состояний. Примечательно, что эта запутанность демонстрирует время жизни примерно в 600 раз большее, чем у обычных ярких состояний.

Квантовая запутанность среди множества неразличимых частиц обычно проявляется как яркие или тёмные состояния. Тёмные состояния характеризуются почти полной невидимостью для излучаемого света, что позволяет запутанности сохраняться в течение длительных периодов.

Хотя эта защитная особенность обладает огромным потенциалом для хранения и передачи квантовой информации, создание и поддержание тёмных состояний долгое время представляло серьёзные экспериментальные трудности.

Исследователи преодолели эти препятствия, используя нанополость с тщательно настроенными скоростями потерь, балансируя силу связи между квантовыми точками и диссипацией полости.

Доктор КюЁн Ким, первый автор исследования, пояснил: «Когда потери в полости слишком велики, квантовые точки действуют независимо, не влияя друг на друга. И наоборот, если связь достаточно сильна, формируется коллективное запутанное состояние, устойчивое к внешним воздействиям».

В своих экспериментах команда наблюдала, что запутанность в тёмном состоянии может длиться до 36 наносекунд — время жизни примерно в 600 раз больше, чем 62 пикосекунды, типичные для ярких состояний. Кроме того, они обнаружили такие явления, как неклассическое группирование фотонов, что предоставляет прямое доказательство формирования тёмного состояния.

Хотя такие состояния обычно подавляют излучение фотонов, при определённых условиях запутанные квантовые точки излучали фотоны одновременно, демонстрируя уникальные свойства тёмного состояния.

Профессор Ким отметил: «Эта экспериментальная реализация запутанности в тёмных состояниях — когда-то только теоретическая — показывает, что, тщательно управляя потерями, мы можем сохранять квантовые корреляции в течение длительных периодов. Это открывает новые возможности для хранения квантовой информации, высокоточных сенсоров и технологий сбора энергии на основе квантовых принципов».

Больше информации: Kyu-Young Kim et al, Cavity-mediated collective emission from steady-state subradiance, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61629-w

Источник: Ulsan National Institute of Science and Technology