Ученые из ИТМО описали новый тип квантовых состояний и смоделировали их

Группа ученых из Университета ИТМО при участии коллег из МФТИ и Университета Турина предсказала новый тип квантовых топологических состояний двух фотонов и предложила доступный способ экспериментальной проверки сделанных предсказаний.

Метод основан на построении аналогий: вместо дорогостоящих опытов по созданию квантовых систем с двумя и более запутанными фотонами исследователи использовали резонансные электрические цепи, работа которых описывается похожими уравнениями. Полученные результаты могут приблизить создание оптических чипов и квантовых компьютеров без проведения дорогостоящих экспериментов.

Свет занимает важнейшее место в современных информационных технологиях: именно с помощью света информация передается по оптоволоконным кабелям на огромные расстояния. В будущем ученые предсказывают создание оптических чипов и компьютеров, в которых информация будет обрабатываться при помощи световых частиц — фотонов, а не электронов, как сейчас. Это заметно снизит потребление энергии и повысит скорость вычислительной техники, но для этого необходимы активные фундаментальные и практические исследования поведения света на микро- и наномасштабе.

Физики теоретически предсказали образование нового типа квантовых состояний фотонов, в которых два фотона образуют связанную пару и оседают на краю цепочки из квантовых микрорезонаторов — кубитов. Для проведения соответствующих экспериментов необходимы специальные наноструктуры, приборы для создания квантовых состояний фотонов, а также аппаратура для их регистрации. Такие эксперименты доступны небольшому числу групп во всем мире.

Если проводить полноценный эксперимент слишком дорого, то можно попытаться придумать какую-то модель или аналогию, которая позволила бы проверить те или иные теоретические положения без столь серьезных затрат. У группы физиков из Университета ИТМО получилось это сделать: они использовали аналогию в виде электронной платы.

«Мы подключаем внешнее питание к разным точкам на нашей плате, и с помощью мультиметра и осциллографа следим за откликом системы,— поясняет аспирант Университета ИТМО Никита Олехно.— Результат описывается классическими уравнениями, которые в нашей плате математически строго совпадают с системой квантовых уравнений, описывающих двухфотонные состояния в квантово-оптической системе. У одинаковых уравнений должны быть одинаковые решения, а как назвать переменную — волновой функцией фотона или электрическим потенциалом,— уже неважно».

Конечно, полностью заменить эксперименты с квантовыми системами аналогия ученых из Университета ИТМО не может. Однако с разработанной ими классической структурой можно провести целый ряд экспериментов, что существенно снизит общую стоимость изучения явлений квантовой фотоники. То, что петербургским ученым впервые удалось подобрать аналог для изучения поведения системы из двух связанных фотонов, открывает интересные перспективы применения их разработки.

«Теория опережает возможности эксперимента. Чтобы быть на переднем крае теории, мы рассматриваем тонкие эффекты, которые в квантовом эксперименте можно будет обнаружить только через несколько лет,— поясняет руководитель проекта, старший научный сотрудник Университета ИТМО Максим Горлач.— Мы проводим сейчас целый ряд исследований в этом направлении, рассматривая топологические краевые состояния более экзотических квантовых систем и разрабатывая способы их аналогового моделирования. Проведение таких экспериментов будет иметь важное значение как для фундаментальной физики, так и для прикладных разработок будущего».

По материалам статьи Topological edge states of interacting photon pairs emulated in a topolectrical circuit; Nikita A. Olekhno, Egor I. Kretov, Andrei A. Stepanenko, Polina A. Ivanova, Vitaly V. Yaroshenko, Ekaterina M. Puhtina, Dmitry S. Filonov, Barbara Cappello, Ladislau Matekovits, and Maxim A. Gorlach; журнал Nature Communications, март 2020 г.