Учені створили надійно працююче джерело квантів світла (фотонів), що знаходяться в так званому "заплутаному" стані, коли зміна властивостей одного з них впливає на властивості іншого, що може бути використано в конструкції квантових комп'ютерів майбутнього, повідомляється в статті дослідників, опублікованій в Nature у четвер.
"Заплутаний" стан матерії, окремих елементарних частинок, атомів або їх скупчень, полягає в тому, що будучи розділеними великими відстанями, на яких ніякі фізичні сили їх вже не зв'язують, частинки поводяться так, як ніби між ними відбувається якась взаємодія, а зміна стану однієї частинки в системі приводить до закономірної зміни стану іншої.
Це явище дотепер залишається багато в чому загадковим для фізиків: ученим поки невідомо, як саме і з якою швидкістю відбувається передача інформації про стан однієї частинки до іншої, проте ніщо не заважає їм намагатися застосувати його, керуючись багаторічним досвідом спостережень.
Найбільш перспективним застосуванням таких "заплутаних" частинок є створення так званих "квантових комп'ютерів". Перевагою цих комп'ютерів, поки що тільки в теорії, є неймовірна швидкість обробки інформації, яка повинна дозволити їм в майбутньому вирішувати задачі, непосильні навіть для найсучасніших суперкомп'ютерів.
Принциповою відмінністю квантових комп'ютерів від сучасних є використання в них "заплутаних" частинок в ролі так званих квантових бітів, кубітів, замість двійкової системи представлення інформації у вигляді 0 і 1. Кубіти, на відміну від бітів - одиничних осередків інформації в сучасних комп'ютерах - можуть не тільки знаходитися в заплутаному стані, але і в один і той же час знаходитися в двох різних станах (0 і 1).
Найпростіше як кубітів використовувати кванти світла - фотони, проте надійно працюючих джерел таких заплутаних пар фотонів до теперішнього часу не існувало. Для отримання заплутаних фотонів в лабораторних експериментах, фізики пропускали фотони через спеціальні кристали, де ті розділялися на пару, в якій кожен новий фотон володів половиною енергії початкового. Такий процес розділення фотонів виявлявся успішним з великою часткою випадковості, що не дозволяє використовувати його для практичних цілей.
Група Марка Стівенсона (Mark Stevenson) з Кембриджського університету у Великобританії, показала, що для цих же цілей можна використовувати звичайний світлодіод в поєднанні з так званими "квантовими крапками". Квантовими крапками звичайно називають напівпровідникові матеріали, що мають нанорозмірні масштаби, сприяючі прояву у них квантових ефектів, що не спостерігаються у об'ємних напівпровідників.
У пристрої Стівенсона квантова крапка - напівпровідниковий кристал арсеніду індію розміром в два мікрони - поміщена на поверхню світлодіода. При подачі електричного струму на світлодіод він починає випромінювати світло, яке передає енергію електронам в квантовій крапці. Ці електрони, переходячи з одного енергетичного стану в інший, у свою чергу, випромінюють пари фотонів, поляризація електромагнітних коливань в одному з яких визначає цей параметр в другом. Іншими словами, ці фотонні пари знаходяться в заплутаному стані.
Пристрій Стівенсона надійно працює при температурі близько п'яти градусів Кельвіна, досяжного лише за допомогою рідкого гелію, що поки що сильно обмежує його застосування. Крім того, виготовлення подібного пристрою виявляється успішним тільки в одному випадку з 100 - ученим поки складно контролювати параметри синтезу квантових крапок так, щоб всі вони могли застосовуватися для генерації заплутаних фотонів.
Проте, продемонструвавши принципову можливість створення заплутаних частинок за допомогою простих електронних пристроїв, учені мають потребу в майбутньому істотно поліпшити їх робочі параметри за допомогою підбору параметрів використовуваних напівпровідникових матеріалів.
"Ця робота показує, що за допомогою порівняно простої технології можна добитися гарантованого отримання заплутаних фотонів, придатних для практичних застосувань", - сказав Армандо Растеллі (Armando Rastelli), фізик з Інституту дослідження твердотільних матеріалів імені Лейбніца в Дрездені, Німеччина, слова якого наводить Nature News.