Квантовую точку научили генерировать пары запутанных фотонов

Физики научились генерировать пары запутанных фотонов с помощью квантовой точки. Для этого они поместили ее на чип с периодической структурой из волноводов и измеряли корреляции сгенерированных фотонов. Нарушение неравенства Белла подтвердило их изначальное предположение о создании нелокального запутанного состояния. Работа опубликована в Nature Physics.

Часто квантовые точки называют искусственными атомами, поскольку они представляют собой систему из двух энергетических уровней. Если облучать квантовую точку резонансным светом, то есть таким, что энергия фотонов будет равна разнице этих энергетических уровней, то она будет переизлучать фотоны, а при определенных параметрах даже одиночные. Физики уже научились контролировать излучение квантовой точки, помещая ее в резонатор — так она излучает не просто одиночные фотоны, но еще и одинаковые одиночные фотоны, что очень важно для любых квантовых экспериментов.

При этом, в отличие от других нелинейных процессов, в которых получаются запутанные фотоны, квантовая точка последовательно генерирует фотоны со схожими спектральными характеристиками. Теоретически физики уже предсказывали, что в двухуровневой системе возникают корреляции между фотонами, но никто не исследовал, подходит ли эта система для нелокального запутывания фотонов.

Группа физиков из Института Нильса Бора под руководством Питера Лодаля (Peter Lodahl) смогла экспериментально показать, что квантовая точка, связанная с оптическим волноводом, может излучать пару запутанных фотонов. Проверка корреляций фотонов с помощью неравенств Белла подтвердила этот факт.

Чтобы излучить фотон, квантовая точка должна оказаться в возбужденном состоянии, то есть фотон накачки должен перевести ее из нижнего уровня на верхний. В случае образования пары фотонов, квантовая точка с нижнего должна попасть на виртуальные уровни, которые выступают посредниками в преобразовании двух прилетающих одинаковых фотонов в два новых запутанных. Этот процесс накладывает строгие условия на параметры сгенерированных фотонов, поэтому они оказываются скоррелированными по времени и энергии — то есть запутаны.

Пара фотонов после генерации разделяется и каждый фотон идет в отдельную часть схемы. Для проверки их свойств и корреляции используют интерферометр Франсона — он сравнивает фотоны, которые могут находиться в разных точках пространства. Интерферометр состоит из двух плеч, каждое из которых собрано как простой интерферометр Маха — Цандера.

Последний позволяет разделить фотоны и один из них пустить по длинному пути (L), другой по короткому (S), чтобы затем снова свести их. Поскольку каждый из разделенных фотонов может пойти либо по длинному, либо по короткому пути, для пары фотонов получается четыре комбинации: S-L, S-S, L-L и L-S. Варианты S-S и L-L физикам разделить не удается, поэтому на временной гистограмме получается три пика-набора событий: центральный отвечает за ситуацию, когда фотоны пошли по одинаковым путям, а по бокам оказываются события S-L и L-S. Причем величина центрального пика зависит от разности фаз в каждом из плеч. В случае, когда разность фаз равна нулю, наблюдается интерференция от фотонов накачки, которые упруго рассеялись на квантовой точке. Если же фаза равна 𝜋, то эти фотоны интерферируют деструктивно, и на детектор идут как раз запутанные пары фотонов.

Авторы отмечают, что предложенный ими способ генерации запутанных состояний прост в эксплуатации и не требует сложного возбуждения, а процессы декогеренции не играют в нем важной роли. Сам источник при этом может работать даже при малых мощностях накачки и оказывается спектрально ярким. В будущих экспериментах физики планируют создавать запутанность высоких порядков и генерацию состояний, полезных для квантовооптических нейронных сетей.

Помимо квантовых точек популярными в квантовооптических экспериментах становятся интегральные источники, в основе которых лежат нелинейные эффекты. Физикам уже удалось разработать такие источники из ниобата лития и из нитрида галлия — оба они имеют форму кольца.