Физики научились создавать фотоны, которые почти невозможно отличить друг от друга

Представьте две частицы света, настолько похожие друг на друга, что сама природа не предоставляет способа определить, какая из них какая. Для обычной оптики это звучит как любопытная особенность, но для квантовых технологий практически полная неразличимость фотонов имеет фундаментальное значение. Международная группа физиков нашла способ существенно приблизиться к этому состоянию: качество фотонов, создаваемых полупроводниковой квантовой точкой, удалось повысить примерно с 60 до 90%.

Почему недостаточно просто получить два фотона одинакового цвета? В классическом представлении они действительно могут казаться идентичными. Но квантовая механика гораздо требовательнее. Фотоны должны совпадать по энергии, поляризации, пространственной форме и времени прихода. Если по какому-либо физическому признаку потенциально можно определить, какой фотон откуда появился, их неразличимость снижается.

Это особенно важно для квантовой интерференции. Когда два действительно неразличимых фотона встречаются в правильно настроенной оптической системе, их поведение определяется уже не независимыми траекториями частиц, а общей квантовой амплитудой. Такие эффекты лежат в основе фотонных квантовых вычислений, создания запутанных состояний и будущих квантовых сетей.

Одним из наиболее перспективных источников отдельных фотонов являются квантовые точки. Это крошечные полупроводниковые структуры, в которых носители заряда оказываются пространственно ограничены. Поэтому квантовую точку нередко называют искусственным атомом: её энергетические состояния дискретны, а при переходах между ними она способна испускать отдельные фотоны.

Исследователи использовали особый процесс — биэкситонный каскад. Сначала квантовая точка получает двойное возбуждение. Возникает биэкситонное состояние, связанное с двумя электронно-дырочными парами. Затем система последовательно возвращается к основному состоянию.

Первым этапом биэкситон превращается в экситон и испускает один фотон. Затем оставшийся экситон распадается и появляется второй. Таким образом, одна подготовленная квантовая система способна по команде выдавать последовательную пару световых частиц.

Именно последовательность событий одновременно является преимуществом и источником проблемы. Момент первого распада обладает некоторой неопределённостью. Поскольку второй фотон рождается только после первого перехода, эта временная неопределённость передаётся дальше по каскаду. Возникает своеобразное временное дрожание, позволяющее частично различить фотоны.

Чтобы уменьшить его, физики поместили квантовую точку в специально сконструированный оптический резонатор. Такой резонатор не просто собирает свет. Он способен изменять вероятность и скорость определённого оптического перехода.

Здесь используется эффект Пурселла. Если излучатель находится в подходящей электромагнитной среде, скорость спонтанного испускания фотона может существенно измениться. Исследователи настроили резонатор так, чтобы целенаправленно ускорить переход от биэкситона к экситону.

На первый взгляд разница лишь во времени жизни возбуждённого состояния. Но именно этот параметр оказался ключевым. Чем быстрее происходит первый переход, тем меньше временная неопределённость каскада и тем труднее отличить один полученный фотон от другого по временным характеристикам.

Результат оказался значительным. Без соответствующего резонаторного усиления неразличимость составляла примерно 60%. После управления распадом биэкситона она выросла приблизительно до 90%.

Можно представить источник как чрезвычайно точный штамп. Если каждый отпечаток немного смещён во времени или отличается формой, изделия похожи, но не идентичны. Исследователи не стали исправлять каждый фотон после его рождения. Они изменили сам процесс рождения, заставив источник работать более определённым образом.

Для оценки неразличимости в подобных экспериментах используется интерференция Хонга—Оу—Мандела. Два фотона направляют к светоделителю с разных сторон. Если частицы действительно неразличимы, квантовая интерференция заставляет их демонстрировать характерное совместное поведение. Чем сильнее эксперимент соответствует идеальному эффекту, тем выше степень неразличимости фотонов.

Особенно интересно, что улучшение первого этапа каскада влияет на качество всей последовательности. Биэкситон и экситон связаны причинно: второй переход не может произойти до первого. Поэтому правильное управление временем жизни исходного состояния уменьшает временную неопределённость последующих событий.

Однако исследователи обнаружили и предел нынешней технологии. Даже идеально настроенный оптический резонатор существует не в пустоте. Квантовая точка встроена в настоящий полупроводниковый кристалл, атомы которого непрерывно колеблются.

Квантованные колебания кристаллической решётки называются фононами. Они способны взаимодействовать с электронными состояниями квантовой точки и ухудшать чистоту излучаемых фотонов. Команда показала, что после подавления других ограничений именно взаимодействие с фононами становится одним из факторов, препятствующих достижению идеальной неразличимости.

Это полезный результат: физики получили не только более качественный источник, но и указание, куда двигаться дальше. Если уменьшить нежелательное взаимодействие с колебаниями кристаллической решётки и дополнительно оптимизировать резонатор, показатель потенциально можно приблизить ещё ближе к идеалу.

Практическое значение связано с масштабированием квантовых технологий. Одиночный идеальный фотон сам по себе мало что даёт. Для сложных устройств нужны большие последовательности частиц, обладающих практически одинаковыми свойствами. Чем сильнее фотоны различаются, тем быстрее накапливаются ошибки.

Полупроводниковые квантовые точки привлекательны именно возможностью создавать одиночные фотоны по запросу. В отличие от случайных процессов рождения фотонных пар, здесь исследователь получает потенциально управляемый источник, который можно интегрировать в фотонные микросхемы.

Особенно перспективен биэкситонный каскад, поскольку он способен создавать не только одиночные фотоны, но и коррелированные пары, необходимые для получения квантовой запутанности. А запутанные фотоны являются одним из основных ресурсов квантовой связи.

До универсального источника идеальных фотонов ещё далеко. Показатель около 90% впечатляет, но крупные квантовые системы чрезвычайно чувствительны даже к небольшим несовершенствам. Необходимо повышать стабильность, эффективность извлечения света и воспроизводимость полупроводниковых структур.

Тем не менее работа демонстрирует важный принцип: качество квантового света можно повышать не только фильтрацией уже созданных фотонов. Можно инженерно изменить окружение самого квантового излучателя и заставить его производить более одинаковые частицы с самого начала.

В классическом мире индивидуальность обычно считается преимуществом. В фотонной квантовой технологии всё наоборот. Чем меньше природа позволяет отличить один фотон от следующего, тем полезнее они становятся. И способность получать практически одинаковые частицы света по команде может оказаться одним из необходимых строительных блоков будущего квантового интернета.