17.10.2025

Физики САФУ опубликовали открытие в области квантовых технологий

Ученые Северного (Арктического) федерального университета (САФУ) развили квантовую теорию взаимодействия двухмодового электромагнитного поля со свободными электронами и показали, что возможна квантовая запутанность фотонов, из которых состоит электромагнитное поле. Открытие может быть использовано для усиления квантовой связи и осуществления так называемой квантовой телепортации — эффекта, который уже сейчас применим в области квантовой информации, квантовой криптографии и при создании квантовых компьютеров.

Открытие сделано в области такого явления, как квантовая запутанность, когда между частицами света — фотонами — создают взаимосвязь, при которой фотоны ведут себя как единое целое, то есть, как говорят физики, их состояния нефакторизуемы. Это означает, что фотоны нельзя разделить на две независимые частицы. Если одна частица меняет свое состояние, то другая частица мгновенно будет реагировать на это, независимо от расстояния между ними.

Раньше считалась, что для создания квантовой запутанности фотонов можно использовать частицы монохроматического света, то есть света, содержащего волны только одной частоты (длины). Такое излучение могут создавать, например, лазеры. Один из таких методов получения квантовой запутанности фотонов — спонтанно-параметрическое рассеяние света, когда лазерный луч пропускают через нелинейный кристалл, и происходит преобразование одного фотона в пару квантово-запутанных фотонов. Второй хорошо известный метод получения запутанных квантов — использование светоделителя, где падающие фотоны на светоделитель запутываются в нем и на выходе получаются запутанные фотоны.

Имеющиеся источники генерации квантово-запутанных частиц имеют недостатки, один из них — квантовая декогеренция, то есть снижение взаимозависимости запутанных частиц при взаимодействии с окружающей средой. Поэтому ученые ищут более мощные источники для создания квантовой запутанности.

На первом этапе исследований авторы показали существование квантовой запутанности для монохроматических фотонов, но в последствии эту теорию развили с источниками немонохроматического света. Немонохроматическое излучение — это излучение фотонов не одной заданной частоты, а с частотой вблизи некоторого среднего значения. Ширина этого отклонения от среднего называется спектральной шириной.

В итоге оказалось, что квантовая запутанность для монохроматических и немонохроматических фотонов может сильно отличаться, причем в случае немонохроматических она может быть заметно больше, что можно использовать в квантовых технологиях. Таким образом, ученые САФУ расширили список источников квантовых запутанностей и способов их получения.

Как подчеркнули физики, для создания квантовой запутанности фотонов на основе взаимодействия со свободными электронами необходима платформа. Она должна быть основана на некотором объеме пространства, где сосредоточены две моды электромагнитного поля взаимодействующие со свободными электронами. Другими словами, платформа должна быть похожа на двухмодовый светоделитель, где вместо светоделителя должны быть свободные электроны. Такая платформа может быть реализована с использованием кремниевого фотонного устройства, интегрированного в электронный микроскоп для достижения эффективной электрон-фотонной связи.

Пока ученые рассмотрели взаимодействие света только с одним электроном. Изучение взаимодействия фотонов с многоэлектронной системой, по словам исследователей, является более сложной задачей.

Источник: Минобрнауки России