Квантовая интерференция с конденсатами света и материи приближает эру квантовых компьютеров

Ученые «Сколтеха» и Национальной академии наук Белоруссии достигли важной вехи в фотонике, впервые наблюдая классический аналог одного из самых фундаментальных эффектов квантовой механики — интерференцию Хонга-У-Манделя — с захваченным в оптическую ловушку конденсатом поляритонов, представляющими собой гибридные частицы, состоящие из света и материи, сообщили в «Сколтехе».

Этот прорыв, о котором сообщается в журнале Physical Review B, приближает исследователей на шаг к созданию компактных квантовых устройств, способных выполнять вычисления и моделирование с использованием света вместо электронов. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (РНФ) в рамках гранта № 24-72-10118. Работа проводилась в Лаборатории гибридных фотонных систем «Сколтеха» совместно с Национальной академией наук Белоруссии.

Эффект Хонга–У–Манделя (ХОМ), впервые продемонстрированный в 1987 г., является отличительной чертой квантовой физики. В этом эксперименте два идентичных фотона, попадая одновременно на два входа светоделителя, «сгруппировывались» вместе, выходя через один из выходов, но никогда через разные. По виду корреляционной функции интенсивности, измеряемой между выходами светоделителя можно судить о неразличимости фотонов. Корреляционная функция приобретает антикорреляционный провал, «провал Хонга–У–Манделя», который и телеграфирует о степени идентичности изучаемых фотонов.

Команда «Сколтеха» воссоздала это явление с экситон-поляритонами — гибридными квазичастицами, образующимися при сильном взаимодействии света с электронными возбуждениями (экситонами) в полупроводнике. Поляритоны могут конденсироваться в единое квантовое состояние — подобно тому, как ультрахолодные атомы образуют конденсат Бозе–Эйнштейна — что позволяет им вести себя как макроскопическая квантовая волна.

Исследователи «поймали» поляритоны в микроскопическую оптическую ловушку и разделили их свечение на два луча. Затем они отправили единичные фотоны из каждого луча в интерферометр Хонга–У–Манделя, чтобы проверить, насколько они похожи друг на друга. Получившиеся интерференционные картины наглядно показали, как эффект антикорреляции меняется в зависимости от статистических свойств поляритонного конденсата и оптической задержки между разделёнными лучами.

Было показано, что при циркулярно поляризованном возбуждении конденсат ведёт себя как стабильный лазер, генерируя свет со свойственной фотонной статистикой. «Провал Хонга–У-Манделя» — мера двухчастичной интерференции — повторял форму кривой когерентности конденсата и приближался к классическому пределу при увеличении оптической задержки.

При линейной поляризации возбуждающего света исследователи зафиксировали эффект «группировки фотонов»: вместо равномерного во времени потока фотоны чаще испускались подряд, как бы «склеиваясь» в небольшие пучки. В результате поток перераспределялся на случайные интервалы повышенной и пониженной плотности, что усиливало интерференционный отклик системы: провал ХОМ становился вдвое глубже по сравнению с когерентным режимом.

При эллиптически поляризованном возбуждении внутренний спин конденсата начинал вращаться на гигагерцовых частотах, переходя в режим самоиндуцированных ларморовских прецессий. Это приводило к периодическому исчезновению и повторному появлению провала ХОМ при настройке оптической задержки. Иными словами, спиновая динамика конденсата напрямую задает момент восстановления интерференции — наглядный пример того, как свет и вещество могут действовать как единая, тонко управляемая квантовая система.

«Наблюдение за возрождением двухфотонной интерференции на частоте ларморовской прецессии было одновременно удивительным и захватывающим, — сказал автор исследования Степан Барышев, старший научный сотрудник Лаборатории гибридной фотоники «Сколтеха». — Это показывает, что мы можем управлять двухчастичными квантовыми эффектами, просто регулируя поляризацию света, создающего поляритонный конденсат».

В отличие от ультрахолодных атомных систем, требующих сложных вакуумных и лазерных установок для охлаждения, поляритонные конденсаты могут образовываться внутри неорганических полупроводниковых микрорезонаторов при температуре всего несколько градусов выше абсолютного нуля и даже при комнатной температуре в случае, если используются новейшие органические материалы. Это делает их практичной и масштабируемой платформой для исследования классических и квантовых эффектов в интегральных устройствах.

Разработанная для описания наблюдений теоретическая модель позволяет исследовать переход между квантовой и классической статистикой излучения, механизмы потери когерентности и коллективные квантовые явления в контролируемых оптических системах.

Возможность контролировать и наблюдать квантовую интерференцию поляритонных конденсатов открывает захватывающие технологические возможности. Такие системы могут стать основой для:

Квантовых симуляторов, моделирующих сложные материалы и химические реакции с использованием управляемых состояний «свет-вещество».

Полностью оптических логических вентилей и квантовых транзисторов, где информация обрабатывается посредством интерференции, а не электрического тока.

Источников неклассического света, таких как запутанные пары фотонов или сжатый свет, полезных для квантовой коммуникации и сенсорики.

Нейроморфных и аналоговых вычислительных архитектур, в которых взаимодействующие поляритонные конденсаты имитируют поведение нейронных сетей или сложных физических систем.

«Поляритоны объединяют в себе лучшее из обоих миров», — сказал заслуженный профессор «Сколтеха» Павлос Лагудакис, руководитель исследования. «Они ведут себя как частицы света — быстрые и легко управляемые, — но при этом взаимодействуют как частицы материи. Это делает их идеальными кандидатами для следующего поколения гибридных квантовых технологий».

Источник: russianelectronics.ru

Источник: ai-news.ru