Квантова фізика в майбутньому може стати гарантом безпечних інформаційних технологій. Адже окремими світловими частинками, так званими фотонами, можна буде переносити дані і не боятися, що їх підслухають. Тож нещодавнє відкриття науковців з Інституту дослідження твердих тіл імені Макса Планка може дуже пригодитися. Випадково науковці натрапили на джерело світла, що з енергій електронів продукує пари фотонів. Одна світлова частинка при цьому може бути носієм делікатної інформації, інша – посланцем, що представлятиме споріднену з нею частинку.




Контрольовані квантові сигнали: Коли електронний (світло-блакитний) тунель від голки тунельного мікроскопа прямує до певного зразка, фотонні пари (жовтий і червоний) утворюються частіше, ніж вважали раніше. Вони дають змогу квантовій комунікації передавати інформацію одним фотоном і перевіряти цю передачу через інший. Зображення:  Klaus Kuhnke/MPI für Festkörperforschung.


 

Те, що пригодиться в кулінарії, неможливе в квантовій комунікації: той, хто хоче знати, чи є в нього всі інгредієнти для рецепта, просто загляне в шафу. Але борошно не зіпсується, якщо на нього криво подивитися. Якщо ж хтось хоче перевірити, чи певні інструкції щодо перенесення квантової інформації функціонують так, як заплановано, йому буде значно складніше. Адже квантові об’єкти змінюють свій стан, коли за ними спостерігають, тобто коли їх вимірюють.

 

У квантовій комунікації це ускладнює процес контролю за інформацією, яку передають фотонами. Але він необхідний. Адже, з одного боку, кожен контакт з середовищем може знищити інформацію, яку переносять фотони, а, з іншого боку, джерела окремих світлових частинок часто продукують їх дуже нерегулярно. Як тоді можна з певністю сказати, що фотон вже в дорозі, не вимірюючи його? Фотонові пари можуть розв’язати цю проблему: один фотон може представляти іншу, споріднену з ним частинку.

 

Науковці з Інституту дослідження твердих тіл імені Макса Планка (Штутгарт) нещодавно виявили несподіване джерело таких фотонних пар: тунельний мікроскоп. Цим інструментом зазвичай науковці досліджують поверхні провідникових або напівпровідникових матеріалів. Принцип такого мікроскопа ґрунтується на квантовомеханічному тунельному ефекті. При цьому електрони можуть з певною імовірністю долати бар’єри, які, згідно з теорією класичної фізики, перейти не можуть.

 

В тунельному мікроскопі діє такий принцип: до кінчика тоненької голки прикладається певна напруга, що провокує квантовомеханiчний тунельний струм, необхідний для подолання енергетичної щілини між кінчиком голки та поверхнею. Коли при цьому переході електрон втрачає свою енергію, виникає світло. Власне це світло й досліджували штутгардські вчені впродовж кількох років.

 

Вони зробили несподіване відкриття: за цього «тунелювання», крім окремих світлових частинок, виникають і фотонні пари – в 10 000 разів частіше, ніж передбачали теоретично. «Ймовірність того, що фотонні пари виникнуть, згідно з теорією, настільки незначна, що зазвичай на неї просто не зважали, – пояснив науковець Крістофер Леон (Christopher Leon). – Але наш експеримент засвідчує, що фотонні пари виникають в значно більшій мірі. Для нас це стало справжньою несподіванкою».

 

Науковці виміряли фотонні пари з допомогою двох детекторів, якими вони зазвичай визначають часовий інтервал між входом двох протонів. «Обидва фотони з пари виникають в тунельному контакті швидше, ніж за 50 трильйонних часток секунди», – пояснив провідний науковець Клаус Кунке (Klaus Kuhnke). Чи фотони виникають одночасно, чи незадовго одне після одного, дотепер сказати неможливо. Для цього розширення детекторів ще замале.

 

З отриманими даними з’явилася можливість нового застосування тунельного контакту в фотоніці і в квантовій комунікації. Хоч вже існують методи, з допомогою яких можна продукувати фотонні пари, але більшість їх творять з інтенсивного лазерного світла. Метод науковців зі штутгардського Інституту імені Макса Планка ґрунтується суто на електриці. І ще для нього потрібні дуже маленькі компоненти, адже процес відбувається в атомному масштабі.

 

Нове джерело світла могло б застосовуватися в майбутніх поколіннях комп’ютерних чипів, в яких частини електронних компонентів будуть замінені оптичними. Це було б корисно, оскільки фотони обіцяють, зокрема, швидке та позбавлене втрат перенесення даних. В експерименті фотонні пари були дуже швидкими, хоча надвисокий вакуум, а також дуже низькі температури, за яких експеримент відбувався, можуть стати викликом при його перенесенні на практику.

 

Тепер науковці хочуть дізнатися, чи вимірювання одного фотона безпосередньо впливає на стан другого. Тоді потрібно буде схрестити світлові частинки. Вже «схрещені» частинки відіграють важливу роль в квантовій криптографії. Дослідження все ж піднімають фундаментальне питання: як виникають фотонні пари? Дотепер теорія практично не брала цього процесу до уваги. «Те, що фотонні пари виникають, означає, що відбувається складний процес», – каже теоретик Олле Гунарсон (Olle Gunnarsson). Директор Інституту Клаус Керн також вважає отримані дані захопливими: «Хвилює, що вони пропонують інший погляд на продукування світла».

 

 

Quantenkommunikation: Aus Eins mach' Zwei

mpg.de, 14. MAI 2019

Зреферувала С. К.

26.05.2019