Одним из ключевых открытий стала квантовая запутанность — явление, при котором состояния пары фотонов становятся настолько взаимосвязанными, что изменение состояния одного фотона мгновенно отражается на его «партнере», независимо от расстояния между ними. Альберт Эйнштейн назвал это явление «жутким действием на расстоянии», и спустя 80 лет оно остается в центре внимания ученых по всему миру. Сегодня запутанность является основой для создания кубитов — базовых единиц квантовой информации.
Однако существующие технологии генерации пар связанных фотонов требуют значительных ресурсов. Они используют относительно крупные кристаллы, заметные даже невооруженным глазом. Новый метод обещает принести значительные изменения в эту сферу. Команда под руководством исследователей Колумбийского университета разработала устройство, которое работает эффективнее, занимает меньше места и потребляет меньше энергии.
Устройство толщиной всего 3,4 микрометра стало значительным шагом вперед в области нелинейной оптики, где световые волны изменяются для применения в лазерах, телекоммуникациях и научном оборудовании. По словам соавтора работы П. Джеймса Шака, это открытие позволяет приблизить интеграцию квантовых систем на одном кремниевом чипе.
Для создания устройства ученые использовали ультратонкие кристаллы дисульфида молибдена — переходного металла с уникальными полупроводниковыми свойствами. Шесть таких кристаллов были сложены в стопку, при этом каждый слой поворачивали на 180 градусов относительно соседних. Этот подход позволил использовать явление квазисогласования фаз, что обеспечивает генерацию пар связанных фотонов с высокой эффективностью.
Впервые этот метод был применен для генерации фотонов на длинах волн, подходящих для телекоммуникаций. Он не только превосходит существующие технологии по эффективности, но и значительно снижает вероятность ошибок.
«Мы уверены, что это открытие закрепит материалы на основе вандерваальсовых сил, такие как дисульфид молибдена, в качестве основы для следующего поколения квантовых и нелинейных фотонных архитектур», — отметил Шак. «Эти материалы могут стать ключевыми для всех будущих технологий на чипе, заменив громоздкие кристаллы, используемые сегодня».
Исследование базируется на предыдущих достижениях команды. В 2022 году ученые доказали, что дисульфид молибдена обладает полезными свойствами для нелинейной оптики, но столкнулись с проблемой интерференции световых волн. Чтобы решить ее, они применили технику периодической поляризации, изменяя ориентацию слоев материала. Это позволило добиться высокой точности и эффективности генерации фотонных пар.
По словам Шака, это открытие может повлиять на множество областей, от спутниковой связи до мобильных квантовых коммуникаций. Устройство открывает путь к созданию более компактных, энергосберегающих и технологически продвинутых квантовых систем, способных изменить подход к обработке информации и взаимодействию света и материи.
Ранее ученые выяснили, как классический мир возникает из квантовых мультивселенных.