Вперше в історії вчені змогли керувати квантовим світлом у просторі та часі

Дослідники з Університету Вітватерсранда у ПАР спільно з колегами з Автономного університету Барселони представили результати, які відкривають нові перспективи для квантових технологій. У статті, опублікованій у журналі Nature Pho­ton­ics, вони показали, як можна керувати квантовим світлом у просторі й часі, створюючи багатовимірні квантові стани з високою інформаційною місткістю. Це відкриття може стати основою для розвитку квантових комунікацій, сенсорики та систем зображення майбутнього.

Йдеться про так зване структуроване квантове світло — фотони, чиї просторові, часові або спектральні характеристики спеціально формуються для створення більш стійких і містких квантових систем. Досягнення стали можливими завдяки розвитку нелінійної оптики, багатоплощинного перетворення світла та інтегрованої фотоніки на чіпах, які вже використовуються у новому поколінні квантових пристроїв.

Професор Ендрю Форбс, один з авторів роботи, наголосив на масштабних змінах у галузі: “Двадцять років тому у нас майже не було інструментів для формування квантових станів. Сьогодні ми маємо компактні джерела структурованого світла на фотонних чіпах, здатні створювати та контролювати складні квантові стани”. Така архітектура фотонів дозволяє кодувати більше інформації в одному сигналі та підвищує захищеність передавання даних від шумів, що робить технологію перспективною для квантового шифрування.

Водночас науковці визнають, що залишаються серйозні виклики. Передача структурованого світла на великі відстані ускладнюється через спотворення в атмосфері та оптичних волокнах. Форбс зазначив: “Наша головна трудність — зберегти квантову структуру на великій дистанції. Але це стимулює пошук нових, більш абстрактних ступенів свободи, наприклад топологічних”. Саме топологічні квантові стани, на думку дослідників, можуть забезпечити природний захист інформації навіть у крихких умовах квантового переплетення.

Огляд також підкреслює прогрес у створенні багатовимірної заплутаності, ультрашвидкого часово структурованого випромінювання, нових методів квантового детектування та фотонних джерел високих розмірностей. Потенційні застосування охоплюють квантову томографію з високою роздільною здатністю, точні вимірювання у метролоґії та квантові мережі нового покоління. Автори підсумовують, що квантова оптика переходить від лабораторних експериментів до практичних технологій: майбутнє структурованого квантового світла виглядає перспективним, але потребує подальшого розвитку систем, здатних працювати у реальних оптичних середовищах.