"Запутанное" состояние материи, отдельных элементарных частиц, атомов или их скоплений, состоит в том, что будучи разделенными большими расстояниями, на которых никакие физические силы их уже не связывают, частицы ведут себя так, как будто между ними происходит какое-то взаимодействие, а изменение состояния одной частицы в системе приводит к закономерному изменению состояния другой.
Это явление до сих пор остается во многом загадочным для физиков: ученым пока неизвестно, как именно и с какой скоростью происходит передача информации о состоянии одной частицы к другой, однако ничто не мешает им пытаться применить его, руководствуясь многолетним опытом наблюдений.
Наиболее перспективным применением таких "запутанных" частиц является создание так называемых "квантовых компьютеров". Преимуществом этих компьютеров, пока что только в теории, является невероятная скорость обработки информации, которая должна позволить им в будущем решать задачи, непосильные даже для самых современных суперкомпьютеров.
Принципиальным отличием квантовых компьютеров от современных является использование в них "запутанных" частиц в роли так называемых квантовых битов, кубитов, вместо двоичной системы представления информации в виде 0 и 1. Кубиты, в отличие от битов – единичных ячеек информации в современных компьютерах – могут не только находиться в запутанном состоянии, но и в одно и то же время находиться в двух различных состояниях (0 и 1).
Наиболее просто в качестве кубитов использовать кванты света – фотоны, однако надежно работающих источников таких запутанных пар фотонов до настоящего времени не существовало. Для получения запутанных фотонов в лабораторных экспериментах, физики пропускали фотоны через специальные кристаллы, где те разделялись на пары, в которой каждый новый фотон обладал половиной энергии исходного.
Такой процесс разделения фотонов оказывался успешным с большой долей случайности, что не позволяет использовать его для практических целей.
Группа Марка Стивенсона из Кембриджского университета в Великобритании, показала, что для этих же целей можно использовать обычный светодиод в сочетании с так называемыми "квантовыми точками".
Квантовыми точками обычно называют полупроводниковые материалы, имеющие наноразмерные масштабы, способствующие проявлению у них квантовых эффектов, не наблюдающихся у объемных полупроводников.
В устройстве Стивенсона квантовая точка – полупроводниковый кристалл арсенида индия размером в два микрона – помещена на поверхность светодиода. При подаче электрического тока на светодиод он начинает излучать свет, который передает энергию электронам в квантовой точке.
Эти электроны, переходя из одного энергетического состояния в другое, в свою очередь, излучают пары фотонов, поляризация электромагнитных колебаний в одном из которых определяет этот параметр в другом. Иными словами, эти фотонные пары находятся в запутанном состоянии.
Устройство Стивенсона надежно работает при температуре около пяти градусов Кельвина, достижимого лишь с помощью жидкого гелия, что пока что сильно ограничивает его применение. Кроме того, изготовление подобного устройства оказывается успешным только в одном случае из 100 – ученым пока сложно контролировать параметры синтеза квантовых точек так, чтобы все они могли применяться для генерации запутанных фотонов.
Тем не менее, продемонстрировав принципиальную возможность создания запутанных частиц с помощью простых электронных устройств, ученые нуждаются в будущем существенно улучшить их рабочие параметры с помощью подбора параметров используемых полупроводниковых материалов.
"Эта работа показывает, что с помощью сравнительно простой технологии можно добиться гарантированного получения запутанных фотонов, пригодных для практических применений", – сказал Армандо Растелли, физик из Института исследования твердотельных материалов имени Лейбница в Дрездене, Германия.
Главные темы