Физики разрабатывают квантовый интерфейс между светом и атомами

Физики из университета Йоганнеса Гуттенберга в Майнце разработали квантовый интерфейс, который соединяет фотоны и атомы. Он основан на сверхтонком стеклянном оптоволокне и пригоден для передачи квантовой информации. Это существенная предпосылка для квантовых систем связи, которые будут использоваться для безопасной передачи данных с помощью квантовой криптографии. «Наш квантовый интерфейс может оказаться также полезным и для квантовых компьютеров», - добавляет проф. Арно Раушенбойтел (Arno Rauschenbeutel).

Сегодня телекоммуникации и Интернет используют в основном оптическую передачу данных через оптоволокно. В этом смысле оптоволоконные сети могут рассматриваться как магистрали для передачи данных. Теоретически один фотон может нести бит информации. Поскольку фотон может находиться в суперпозиции состояний, то это открывает новые возможности для телекоммуникаций. К примеру, это свойство может использоваться квантовой криптографией, обеспечивающей абсолютную защиту целостности и конфиденциальности сообщений.

Однако для того чтобы в полной мере использовать потенциал квантовых телекоммуникаций, необходимо сохранять квантовую информацию, которую несет каждый фотон. Сами фотоны не очень хорошо подходят для этой цели. Поэтому лучше передать эту информацию атомам. Для этого необходим квантовый интерфейс между фотонами и атомами, который должен легко интегрироваться с оптоволоконными сетями.

Группа физиков под руководством Арно Раушенбойтела разработала такой квантовый интерфейс. Его основной частью является стеклянное оптоволокно, которое было нагрето и вытянуто до толщины, составляющей одну сотую диаметра человеческого волоса.

Примечательно, что толщина нановолокна меньше, чем длина волны передаваемого света. Как следствие свет не локализуется внутри волокна, а проникает в пространство, окружающее его. Используя это так называемое запредельное поле, ученые захватили атомы цезия после их охлаждения до нескольких миллионных градуса выше абсолютного нуля. После захвата атомы образовывали в регулярную структуру и располагались над поверхностью нановолокна на расстоянии 200 нм. В то же время атомы оставались в запредельном поле и таким образом взаимодействовали с фотонами, распространяющимися по волокну.

Как показали исследователи из Майнца, этот процесс оказался настолько эффективным, что только несколько из тысячи атомов близких к поверхности волокна будет достаточно для передачи квантовой информации между фотонами и атомами без потерь.

Используя лазерный луч, который проходит через конусообразное оптоволокно, атомы цезия захватываются на участке «талии». Диаметр центральной части волокна меньше длины волны света. Как следствие, последний выступает за пределы волокна и взаимодействует с захваченными атомами