трёхфотонная запутанность

Слоёный пирог из дисульфида молибдена MoS2 лежит на лабораторном столе. Его готовят привычным способом: клейкая лента отрывает верхние слои, чтобы получить тонкий образец. Но под лентой остаётся невидимая полость, где атомные этажи больше не прижаты друг к другу. Именно там электроны начинают вести себя иначе, чем в толще кристалла.

Три голоса, сливающиеся в один аккорд. В физике квантовых материалов этот образ обретает буквальный смысл: три слоя графена, разделённые тонкими прокладками, заставляют электроны и дырки из разных слоёв двигаться как единая жидкость. Экситонный конденсат — состояние, в котором пары электрон-дырка текут без сопротивления, — раньше наблюдали только в двухслойных системах.

Квантовая связь похожа на передачу секретного письма, которое рвётся при любой попытке подглядеть. Пока такое письмо можно послать только по одной дороге, и это медленно. Учёные придумали, как пустить сразу 16 курьеров по 16 параллельным дорогам — разным частотам света — и проверили, что письма доходят целыми.

Квантовые системы, состоящие из множества частиц, — фундамент будущих квантовых компьютеров и защищённых коммуникационных сетей. Однако с ростом числа частиц экспоненциально растёт и сложность их описания: число возможных состояний системы увеличивается лавинообразно. Традиционный подход — полное измерение всех параметров — требует колоссальных временных затрат.

В тонкой плёнке перовскита — перспективного материала для дешёвых солнечных батарей — свет рождает пары зарядов: отрицательно заряженный электрон и положительно заряженную «дырку» (вакансию электрона в кристаллической решётке, ведущую себя как частица). Им нужно добраться до электродов и дать ток, но по пути многие исчезают.

Солнечный свет — как непрерывный поток мячей, летящих в стену. Белки-антенны в фотосинтезирующих бактериях ловят эти «мячи» — фотоны, но иногда удар слишком силён, и в «стене» — молекуле хлорофилла — возникает опасное возбуждённое состояние, триплетное…

Три бильярдных шара после удара разлетаются по столу — их траектории зависят только от начального толчка. Но в мире атомных ядер всё сложнее: частицы чувствуют друг друга на ходу, даже если не связаны в одно целое. Долгое время физики умели измерять только парные взаимодействия, а что происходит, когда встречаются трое, оставалось за кадром.

Свет от самой горячей стадии Вселенной летит к нам почти 14 миллиардов лет. Это реликтовое излучение — слабое свечение, заполняющее всё небо, своего рода «эхо» Большого взрыва. Недавно астрономы заметили странность: его поляризация — направление колебаний электрического поля — оказалась повёрнута примерно на 0,3 градуса.

В тесной шеренге атомов, замерших на расстоянии меньше длины световой волны, прячется удивительное состояние. Возбуждение распределено по всем частицам так, что их излучение гасит само себя — это субизлучательное состояние, коллективная квантовая «тишина».

Квантовые сети будущего напоминают Вавилонскую башню: каждый узел говорит на своём наречии. Одни хранят информацию в поляризации фотона — направлении колебаний световой волны. Другие — во временных битах, то есть в том, когда именно пришёл импульс. А длины волн и вовсе разные: атомы излучают в видимом диапазоне, а оптоволокно лучше пропускает инфракрасный.

Три лазерных луча сплетаются в треугольник. Каждый связан с двумя другими — так устроена новая схема, которую физики называют «полносвязным трёхмодовым сжатым вакуумом». Это не просто три независимых источника света: внутри специального кристалла рождаются тройки запутанных фотонов, и связь между ними напоминает полный граф из трёх точек, где проведены все возможные линии.

Каждая аннигиляция позитрона похожа на рождение пары танцоров, связанных невидимой нитью поляризации. Два гамма-кванта разлетаются, но их состояния остаются скручены: измерение одного мгновенно определяет другой — словно партнёр чувствует каждое движение на любом расстоянии.

В сердце квантового компьютера будущего может оказаться крошечная органическая молекула, похожая на треугольник. У неё есть два «лишних» электрона, которые не находят себе пару. Такие молекулы называют дирадикалами, и их электроны способны хранить информацию особым, квантовым способом.

Квантовая запутанность — явление, при котором состояния двух или более частиц оказываются взаимосвязанными независимо от расстояния между ними — обычно связывает внутренние свойства, такие как спин или поляризация. Однако в новой работе впервые реализована запутанность самих положений двух атомов в пространстве.

Свет падает на органическую молекулу — и внутри рождается пара близнецов-возбуждений. Их называют триплетными парами. В одиночных молекулах пентацена такие пары давно умеют делиться своей энергией с соседями — это основа синглетного деления, которое повышает КПД солнечных элементов. Но что происходит, когда молекулы выстраиваются в длинные цепочки, как в полипентацене?

Ядро углерода долгое время описывали как однородную смесь протонов и нейтронов — этакую квантовую «кашу», где нуклоны распределены равномерно, без выраженной внутренней структуры.

Нейтрино — настоящие призраки микромира. Почти без массы, без заряда, они проходят сквозь планеты, словно через пустоту. Но внутри каждого нейтрино прячется не одна частица, а три — три «аромата» (электронный, мюонный и тау), которые постоянно перетекают друг в друга. Этот танец называют осцилляциями.

Представьте трёх танцоров, которые движутся как единое целое: каждый чувствует всех остальных, и общая гармония не сводится к отдельным взаимодействиям. Эта аналогия, хоть и упрощает квантовую реальность, помогает понять поведение трёх частиц, рождающихся при столкновении электрона и позитрона на скорости света.

Кухонная губка, пропитанная сиропом: в одних местах сиропа больше, и палец прилипает сразу, в других — едва касается. Примерно так устроена поверхность катализатора. Молекулы реагируют не везде, а в особо липких точках — активных центрах. Десятилетиями химики искали их по расположению атомов, как кладоискатели с картой. Но карта врёт.

Один снимок камеры хранит одновременно обычную картину и скрытую карту того, как свет распространялся волнами через сцену. Это становится возможным благодаря квантовой запутанности — явлению, при котором две частицы оказываются связаны так, что состояние одной мгновенно определяет состояние другой, независимо от расстояния.

Ядра атомов далеко не всегда напоминают бильярдные шары — эту аналогию мы используем лишь для простоты. В реальности одни ядра вытянуты подобно сигарам, другие сплюснуты, как диски. А у ксенона-129 форма оказалась похожей на картофелину — это бугристый трёхосный эллипсоид, то есть фигура, у которой все три оси имеют разную длину.

Обычный источник фотонов можно представить как вход в клуб с одним вышибалой. Он старается пропускать посетителей поодиночке, но иногда «парочки» просачиваются. В квантовой оптике это называют проблемой чистоты: фотоны должны излучаться строго по одному, иначе в квантовых вычислениях возникают ошибки.

Две чёрные дыры с разгона бьются лбами — а рядом кружит третья. В обычной жизни такая авария породила бы всплеск гравитационных волн (ряби в пространстве, как от брошенного в пруд камня). Но здесь часть ряби проходит мимо массивного соседа — и меняется, словно свет в кривом зеркале.

Свет представляет собой поток элементарных частиц — фотонов. В специальном световоде, который можно представить как узкий коридор, атом-«привратник» обычно пропускает фотоны поодиночке. Этот эффект изучает спектроскопия одиночных частиц — метод, позволяющий исследовать взаимодействие света с веществом на уровне отдельных квантов.

Луч фонарика, направленный сквозь матовое стекло, с каждым лишним миллиметром толщины превращается в размытое пятно. Примерно так же ведут себя сцинтилляторы — материалы, переводящие рентгеновские лучи в видимый свет. Они лежат в основе медицинских снимков, досмотра багажа и детекторов на ускорителях.

Оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, а вместе они создают сложную мелодию, — так выглядит облако атомов, чьи спины (собственные вращения, словно крошечные волчки) колеблются согласованно. Обычно эти волчки ведут себя независимо. Но стоит поместить их между двумя зеркалами и осветить — и происходит удивительное: свет и атомы начинают «петь» в унисон, запутываясь друг с другом.

Квантовым сетям необходим интерфейс между хранилищем информации — спиновым состоянием частицы — и её переносчиком — светом. До недавнего времени ни одна одиночная молекула не могла выполнять эту роль. Однако физики обнаружили подходящего кандидата.

Крошечные островки полупроводника, выращенные прямо на кремнии, выстреливают одиночными фотонами — как автомат, выдающий строго по одному шарику. Эти островки называют квантовыми точками. Они способны излучать свет порциями, что нужно для защиты информации в квантовых сетях.

Два фотона вылетают из одной точки в груди пациента. Они — близнецы: изменив один, мгновенно узнаёшь о другом. Такая связь называется квантовой запутанностью. При ПЭТ-сканировании эти пары рождаются внутри тела, когда введённое радиоактивное вещество встречается с электронами тканей. Степень этой запутанности не постоянна.

Молекула дейтерия — два атома тяжёлого водорода — разлетается под ударом лазера. Один электрон вырывается, оставляя после себя ион. В этот момент они ещё связаны: направление одного сразу подсказывает, куда полетел другой. Такая связь называется квантовой запутанностью.

Представьте два маятника на жёстком столе — каждый колеблется сам по себе, не замечая соседа. Но стоит поставить их на общую шаткую доску, как вибрации передаются через опору, и маятники начинают качаться синхронно. Похожий принцип недавно реализовали в квантовой области — на кремниевом чипе с фотонами — квантами света.

Кран, из которого вода течёт не струёй, а строго по одной капле, — так можно описать источник одиночных фотонов, о котором рассказывают авторы. В обычном свете фотоны летят толпой, как вода из открытого крана. А для квантовых технологий нужны одиночные фотоны — «капли» света, которые можно использовать как кубиты или как курьеров для защищённой связи.

Свет и атомы, как танцоры, могут двигаться в унисон или вразнобой. Когда их взаимодействие анизотропно — то есть зависит от направления, — танец усложняется. В новой работе физики рассмотрели модель, где множество атомов (кубитов) коллективно взаимодействуют с анизотропным полем света, и каждый компонент подключен к тепловому резервуару.

Обычный свет — как толпа на площади: каждый фотон движется сам по себе, сталкиваясь и разлетаясь. Но в некоторых средах фотоны, как свора собак, начинают бежать вместе — группируются. Учёные создали лазер на случайном волокне, где световые частицы собираются в особенно плотные стайки. Это явление называется сверхгруппировкой фотонов.

В тёмной комнате атом и свет заперты вместе в зеркальной коробочке. Коробочка настолько мала, что атом не может просто так выпустить свет — они постоянно обмениваются энергией, как два танцора, которые не отпускают рук. Такая ультрасильная связь меняет сами правила игры: уровни энергии перестраиваются, и свет выходит наружу не обычными одиночными порциями, а целыми созвездиями.

Лазер бьёт по атому стронция, и из него разом вылетают два электрона. Раньше считалось, что при такой двойной ионизации каждый электрон действует сам по себе: один выбит первым, второй — позже, случайно. Новый эксперимент с холодными атомами показал обратное: электроны покидают атом согласованно, как пара танцоров, держащихся за руки.

В двух зеркальных комнатах, стоящих перпендикулярно, живёт облако атомов. Каждый атом — как певец в хоре: сам по себе он может молчать, но когда соседи начинают петь, он подхватывает. Здесь роль дирижёра играет сама геометрия: одна комната помогает атомам излучать свет сообща, а другая — мягко подталкивает их к этому, но не напрямую, а через хитрый обходной манёвр.

Свет от крошечных кристаллов перовскита — как выступление хора, где голоса звучат то по одному, то стройным дуэтом. Раньше такой дуэт удавалось услышать только при сильном охлаждении, почти до космического холода. Теперь хор запел при комнатной температуре.

Квантовый свет — это не просто поток частиц, а сложный узор из пространства и времени. Одиночный фотон может быть растянут, сжат, размазан по разным направлениям. Но увидеть этот узор целиком, со всеми его изгибами, до сих пор не удавалось: обычные детекторы ловят лишь отдельные кусочки картины, как будто смотришь на объёмную фигуру через щёлку в заборе. Физики придумали способ обойти эту щёлку.

Обычный свет — это поток независимых частиц: фотоны пролетают друг сквозь друга, не замечая соседей. Но в сверхпроводящих цепях, охлаждённых почти до абсолютного нуля, ситуация меняется. Там фотоны путешествуют по узким дорожкам из металла, и если в эти дорожки встроить крошечные элементы, называемые джозефсоновскими переходами, свет начинает «чувствовать» сам себя.