نقض نابرابری بل توسط نقاط کوانتومی ساطع کننده فوتون

خلاصه خبر:

مطالعه ای در Nature Physics روش جدیدی را برای ایجاد درهم تنیدگی کوانتومی با استفاده از نقاط کوانتومی ارائه می دهد و فناوری های کوانتومی مقیاس پذیر را پیش می برد. نقاط کوانتومی، ساختارهای کوچکی که مانند اتم های مصنوعی عمل می کنند، فوتون های درهم تنیده منتشر می کنند. این درهم تنیدگی با نقض نابرابری بل، ;که یک آزمون کلیدی برای مکانیک کوانتومی است، تأیید شد. این روش از توان بسیار کم استفاده می کند و برهمکنش های نور با موجبرهای کریستال فوتونی را افزایش می دهد. با خنک کردن سیستم تا 269- درجه سانتی گراد، محققان حالت های کوانتومی را ثابت نگه داشتند. آنها پارامتر S را برابر 2.67 اندازه‌گیری کردند که از حد نابرابری بل 2 فراتر رفت.

توضیحات تکمیلی:

یک مطالعه پیشگامانه منتشر شده در Nature Physics روش جدیدی را برای ایجاد درهم تنیدگی کوانتومی با استفاده از یک کوانتوم دات معرفی می‌کند که پیشرفت‌های قابل توجهی را در فناوری‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر و کارآمد نشان می‌دهد. این تحقیق به رهبری دکتر شیکای لیو از موسسه نیلز بور نشان می‌دهد که این روش، که در سطوح بسیار کم توان عمل می‌کند، می‌تواند با موفقیت نابرابری بل را نقض کند، آزمایشی حیاتی برای درهم تنیدگی کوانتومی.

درهم تنیدگی کوانتومی، که برای محاسبات کوانتومی حیاتی است، شامل همبستگی کیوبیت ها بدون توجه به فاصله آنها می شود. این پدیده که از طریق نابرابری بل تأیید شده است، برای تأیید همبستگی‌های غیر کلاسیک در سیستم‌های کوانتومی ضروری است. نابرابری بل، که توسط فیزیکدان جان استوارت بل در سال 1964 پیشنهاد شد، یک عبارت ریاضی است که بین همبستگی های کلاسیک و کوانتومی تمایز قائل می شود. این یک آستانه را فراهم می کند: اگر همبستگی بین ذرات از این آستانه فراتر رود، ماهیت آنها کوانتومی است که به معنای درهم تنیدگی کوانتومی است. بنابراین، نقض نابرابری بل وجود درهم تنیدگی کوانتومی را تأیید می‌کند و همبستگی‌هایی قوی‌تر از آنچه در فیزیک کلاسیک ممکن است نشان می‌دهد.

روش‌های سنتی، مانند spontaneous parametric down-conversion (SPDC)، به دلیل برهمکنش‌های غیرخطی ضعیف در کریستال‌های حجیم با چالش‌هایی روبرو هستند. با این حال، نقاط کوانتومی، با غیرخطی بودن قوی تک فوتون خود، یک جایگزین امیدوارکننده ارائه می دهند.

در این مطالعه، از نقاط کوانتومی - که به عنوان اتم های مصنوعی عمل می کنند - برای به دام انداختن اکسیتون های خنثی استفاده شد، که مانند سیستم های دو سطحی شبیه به اتم های طبیعی عمل می کنند، اما برای کنترل بهتر در یک تراشه ادغام شده اند. با کوپل کردن این نقاط کوانتومی با یک موجبر کریستال فوتونی، محققان به راندمان جفت بالا (بیش از 90٪) و افزایش قابل توجه Purcell دست یافتند و نرخ گسیل فوتون های درهم تنیده را افزایش دادند.

ستاپ آزمایشی شامل خنک کردن تراشه تا 269 - درجه سانتیگراد برای به حداقل رساندن ارتعاشات حرارتی و حفظ حالت های کوانتومی پایدار بود. این تیم از تداخل سنج های نامتعادل ماخ زندر برای انجام تست نابرابری بل Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH) استفاده کرد و تداخل فرانسون را برای تأیید درهم تنیدگی اندازه گرفت. پارامتر S مشاهده شده 2.67 به طور قابل توجهی از مرز محلی 2 پیشی گرفت و حالت درهم تنیده  انرژی-زمان را تأیید کرد.

شایان ذکر است، این روش تنها به 7.2 پیکووات توان نیاز دارد که حدود 1000 برابر کمتر از منابع تک فوتونی سنتی است که آن را بسیار کارآمد می کند. دکتر لیو جهت‌های تحقیقاتی آینده را برجسته می‌کند، از جمله کاوش حالت‌های کوانتومی فوتونیک پیچیده و ادغام این روش در مدارهای فوتونیک برای کاربردهای کوانتومی پیشرفته در محاسبات، مخابرات و حسگری.

این رویکرد نوآورانه نه تنها راه را برای فناوری‌های کوانتومی عملی هموار می‌کند، بلکه استاندارد جدیدی را در تولید و دستکاری درهم‌تنیدگی کوانتومی ایجاد می‌کند که برای آینده محاسبات کوانتومی و علم اطلاعات ضروری است.

منبع

Shikai Liu et al, Violation of Bell inequality by photon scattering on a two-level emitter, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02543-8