Исследователи из Школы физики Университета Витс совместно с коллегами из Автономного университета Барселоны продемонстрировали, как квантовый свет можно конструировать в пространстве и времени для создания многомерных и многомерных квантовых состояний. Их работа демонстрирует, как структурированные фотоны — свет, чьи пространственные, временные или спектральные свойства целенаправленно сформированы — открывают новые возможности для высокоскоростной квантовой связи и передовых квантовых технологий.

Исследование , опубликованное в виде обзорной статьи в журнале Nature Photonics, рассматривает стремительный прогресс в технологиях создания, обработки и обнаружения квантового структурированного света . К ним относятся интегрированная фотоника на кристалле, нелинейная оптика и многоплоскостное преобразование света, которые теперь образуют современный и всё более мощный инструментарий. В совокупности эти достижения приближают применение структурированных квантовых состояний в реальных приложениях в области визуализации, датчиков и квантовых сетей.

Достижения в области квантовой светотехники

По словам профессора Эндрю Форбса, автора-корреспондента из Wits, эта область кардинально изменилась за два десятилетия. «Разработка квантовых состояний, где квантовый свет проектируется для определённой цели, в последнее время набирает обороты, наконец, начиная демонстрировать свой полный потенциал. Двадцать лет назад инструментарий для этого был практически пуст. Сегодня у нас есть встроенные в чип источники квантового структурированного света, компактные и эффективные, способные создавать и контролировать квантовые состояния».

Ключевым преимуществом структурирования фотонов является возможность доступа к высокоразмерным кодирующим алфавитам, что позволяет передавать больше информации на фотон и повышает устойчивость к шуму. Это делает квантовый структурированный свет перспективной платформой для безопасной квантовой связи.

Проблемы и будущие направления

Однако авторы отмечают, что некоторые реальные каналы по-прежнему неблагоприятны для пространственно структурированных фотонов, ограничивая передачу на большие расстояния по сравнению с более традиционными степенями свободы, такими как поляризация.

«Хотя мы добились поразительного прогресса, всё ещё есть сложные вопросы», — говорит Форбс. «Расстояние действия структурированного света, как классического, так и квантового, остаётся очень небольшим… но это также возможность, стимулирующая поиск более абстрактных степеней свободы для использования».

Один из новых подходов заключается в наделении квантовых состояний топологическими свойствами , что обеспечивает им внутреннюю устойчивость к возмущениям. «Недавно мы показали, что квантовые волновые функции естественным образом обладают потенциалом быть топологическими, и это обещает сохранение квантовой информации, даже если запутанность хрупкая», — говорит Форбс.

Приложения и перспективы данной области

В обзорной статье также описывается быстрое развитие многомерной запутанности, сверхбыстрого временного структурирования, нелинейных схем квантового детектирования и источников на кристалле, способных генерировать или обрабатывать квантовый свет в более высоких измерениях, чем это было возможно ранее. Среди рассматриваемых приложений – квантовая визуализация высокого разрешения, прецизионная метрология с использованием структурированных фотонов и квантовые сети, способные передавать больше информации по нескольким связанным каналам.

Исследование указывает на переломный момент в этой области. Как заключают авторы, будущее квантовой оптики с квантовым структурированным светом «выглядит очень многообещающим», но необходимы дальнейшие исследования для увеличения размерности, увеличения числа фотонов и разработки состояний, способных выживать в реалистичных оптических условиях.