Учёные научились «лепить» квантовый свет для технологий будущего

Исследователи из Университета Витватерсранда (ЮАР) и Автономного университета Барселоны продемонстрировали, как можно управлять структурой фотонов в пространстве и времени для создания специальных квантовых состояний. Эта работа открывает новые возможности для квантовой связи, сенсорики и визуализации следующего поколения.

Исследователи показывают, как контроль над структурой фотонов в пространстве и времени позволяет создавать заданные квантовые состояния для коммуникаций, сенсоров и систем визуализации будущего. Автор: Wits University

Учёные из Школы физики Университета Витватерсранда совместно с коллегами из Автономного университета Барселоны показали, как можно «конструировать» квантовый свет в пространстве и времени для создания высокоразмерных и многомерных квантовых состояний. Их работа подчёркивает, что структурированные фотоны — свет, чьи пространственные, временные или спектральные свойства целенаправленно формируются — открывают новые пути для высокопроизводительной квантовой связи и продвинутых квантовых технологий.

Опубликованная в журнале Nature Photonics в качестве обзорной статьи, работа анализирует быстрый прогресс в методах создания, управления и детектирования квантового структурированного света. К ним относятся интегральная фотоника на чипе, нелинейная оптика и мультиплоскостное преобразование света, которые теперь формируют современный и всё более мощный инструментарий. Вместе эти достижения приближают структурированные квантовые состояния к реальным применениям в области визуализации, сенсорики и квантовых сетей.

Достижения в конструировании квантового света

По словам профессора Эндрю Форбса, ведущего автора работы из Университета Витватерсранда, за два десятилетия область изменилась кардинально. «Настройка квантовых состояний, где квантовый свет создаётся для конкретной цели, в последнее время набрала темпы, наконец-то начав показывать свой полный потенциал. Двадцать лет назад инструментарий для этого был практически пуст. Сегодня у нас есть источники квантового структурированного света на чипе, которые компактны и эффективны, способны создавать и контролировать квантовые состояния».

Ключевое преимущество структурирования фотонов — возможность доступа к высокоразмерным алфавитам кодирования, что позволяет передавать больше информации на один фотон и повышает устойчивость к шуму. Это делает квантовый структурированный свет перспективной платформой для защищённой квантовой связи.

Вызовы и будущие направления

Однако авторы отмечают, что некоторые реальные каналы передачи всё ещё неблагоприятны для пространственно структурированных фотонов, что ограничивает дальность передачи по сравнению с более традиционными степенями свободы, такими как поляризация.

«Хотя мы добились удивительного прогресса, всё ещё остаются сложные проблемы, — говорит Форбс. — Дальность передачи со структурированным светом, как классическим, так и квантовым, остаётся очень низкой … но это также и возможность, стимулирующая поиск более абстрактных степеней свободы для использования».

Один из новых подходов — наделение квантовых состояний топологическими свойствами, что обеспечивает врождённую устойчивость к возмущениям. «Мы недавно показали, как квантовые волновые функции по своей природе обладают потенциалом быть топологическими, и это обещает сохранение квантовой информации даже если запутанность хрупка», — поясняет Форбс.

Применения и перспективы области

В обзорной статье также задокументированы быстрые разработки в области многомерной запутанности, сверхбыстрого временного структурирования, нелинейных схем квантового детектирования и источников на чипе, которые могут генерировать или обрабатывать квантовый свет в более высоких размерностях, чем это было возможно ранее. Среди выделенных применений — высокоразрешающая квантовая визуализация, прецизионная метрология с использованием структурированных фотонов и квантовые сети, способные переносить больше информации через множество связанных каналов.

Исследование указывает на переломный момент для этой области. Как заключают авторы, будущее квантовой оптики с квантовым структурированным светом «действительно выглядит очень ярким» — но необходима дальнейшая работа для увеличения размерности, наращивания числа фотонов и конструирования состояний, способных выживать в реалистичных оптических средах.

Больше информации: Эндрю Форбс и др., Progress in quantum structured light, Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-025-01795-x

Источник: Wits University