"Жутковатое действие" Эйнштейна получило новое квантовое измерение

Учёные из Техниона (Израильского технологического института) сообщили об открытии новой формы квантовой запутанности — на этот раз связанной с полным угловым моментом фотонов, заключённых в наномасштабные структуры. Это открытие может сыграть ключевую роль в создании более компактных компонентов для квантовой связи и вычислений.

Феномен квантовой запутанности — один из самых загадочных в физике. Когда в 1935 году Альберт Эйнштейн вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном (впоследствии ставшим основателем физического факультета Техниона) предложили гипотезу, согласно которой изменение состояния одной частицы мгновенно влияет на другую, где бы она ни находилась, это казалось абсурдным. Эйнштейн назвал это «жутковатым действием на расстоянии» и не верил, что природа может так себя вести.

Однако спустя десятилетия стало ясно, что эффект реален и даже может быть полезным. Профессор Ашер Перес из Техниона вместе с коллегами Чарльзом Беннетом и Жилем Брассаром показал, что запутанность можно использовать для квантовой телепортации — технологии, лежащей в основе квантовой связи. За дальнейшие работы в этой области, включая экспериментальное подтверждение запутанности и её применение, Нобелевскую премию по физике в 2022 году получили Ален Аспе, Антон Цайлингер и Джон Клаузер.

Фотон — квант света — может быть запутанным по разным параметрам: направлению движения, частоте, поляризации, а также по угловому моменту. Последний параметр особенно интересен: он включает как спин (внутреннее вращение), так и орбитальный момент (движение по замкнутой траектории), по аналогии с тем, как Земля вращается вокруг своей оси и одновременно движется по орбите вокруг Солнца.

До сих пор считалось, что эти компоненты углового момента можно рассматривать по отдельности — и так оно и было, если речь шла о фотонах в свободном пространстве или в структурах, гораздо больше их длины волны. Но когда речь заходит о нанофотонике — о работе с фотонами в структурах меньших, чем длина волны света, — ситуация меняется. В таких условиях фотон уже нельзя описать отдельным спином или орбитой: у него остаётся только одна характеристика — полный угловой момент.

Именно с этим и связано открытие, сделанное аспирантом Амитом Камом и доктором Шаем Цессесом. Исследование, опубликованное в журнале Nature, показывает, что в наноструктурах, размером в тысячные доли человеческого волоса, фотон может запутываться по этому объединённому параметру. Ранее запутанность по полному угловому моменту не фиксировалась — и это первое открытие нового типа квантовой запутанности за более чем два десятилетия.

Учёные подробно проследили, как меняется состояние фотонов на протяжении всего пути через наноструктуру и измерительную систему, и обнаружили, что этот переход даёт фотонам доступ к новому множеству квантовых состояний. В ходе экспериментов исследователи смогли создать пары фотонов, запутанных именно по полному угловому моменту, и убедились в наличии квантовой корреляции между ними.

Это открытие может открыть путь к созданию более миниатюрных и эффективных квантовых устройств, использующих фотонные технологии, и расширить инструментарий квантовой оптики и нанофотоники.