Исследователи разрабатывают новый военного класса «квантовый лазер», способный преодолевать туман и работать на большие расстояния.
Агентство по продвинутым оборонным исследованиям проектов (DARPA) США выделило грант в размере 1 миллион долларов учёным, которые строят прототип «квантового фотонно-димерного лазера», использующего квантовое спутывание для «склеивания» частиц света и генерации высококонцентрированного лазерного луча.
Лазеры играют ключевую роль в военных операциях и используются во всём, начиная от спутниковых коммуникаций и технологий целеуказания до систем картографирования и отслеживания, таких как лидар (лазерное обнаружение и измерение расстояний).
Обычные лазеры работают путём стимулирования электронов в атомах к колебаниям в унисон. Когда эти электроны переходят из состояния высокой энергии в состояние низкой энергии, они испускают форму света, называемую «когерентным светом» — свет с однородной длиной волны и фазой. Пока этот свет отражается между зеркалами внутри лазерного устройства, он преобразуется в концентрированный лазерный луч.
Но, используя запутанные фотоны, квантовоый фотонно-димерный лазер может сохранять точность и мощность на больших расстояниях и в неблагоприятных условиях, говорится в заявлении учёных. Таким образом, квантовые лазеры могут обеспечивать лучшую производительность для военных приложений, таких как наблюдение и безопасная связь в суровых условиях.
«Фотоны кодируют информацию, когда они путешествуют, но путешествие через атмосферу очень вредно для них, — рассказал руководитель проекта Юнг-Цунг Шен (Jung-Tsung Shen), доцент кафедры электротехники и системной инженерии Вашингтонского университета в Сент-Луисе. — Когда два фотона связаны вместе, они по-прежнему страдают от воздействия атмосферы, но они могут защищать друг друга, так что некоторая фазовая информация может быть сохранена.»
Двухцветный фотонно-димерный лазер работает путём связывания пар фотонов — фундаментальных частиц, которые представляют собой мельчайшие строительные блоки электромагнитного излучения — посредством процесса, называемого квантовой запутанностью.
Квантовая запутанность — странное и сложное явление в области квантовой механики, которое возникает, когда две или более частицы соединяются между собой таким образом, что одна частица мгновенно влияет на состояние другой — независимо от расстояния между ними.
По словам исследователей, когда два фотона соединяются друг с другом посредством квантовой запутанности, они создают так называемые фотонные димеры. Этими парами фотонов легче манипулировать, поскольку они действуют как единое целое, и любое изменение, применённое к одному фотону, напрямую влияет на другой.
Такое связывание световых частиц увеличивает энергию и стабильность лазера, улучшая его работу на больших расстояниях и в неблагоприятных условиях, таких как экстремальные температуры и туман.
Предыдущая работа Шена и его команды, опубликованная в декабре 2020 года, исследовала, как можно использовать технологию квантового фотонно-димерного лазера для улучшения глубокой визуализации мозга. В этом исследовании они использовали фотонные димеры для картирования сложных нейронных структур.
По словам исследователей, эта технология также может сыграть роль в квантовых вычислениях и телекоммуникациях, что, возможно, приведёт к созданию более быстрых и безопасных способов передачи данных.
«Мы пытаемся использовать свойство запутанности, чтобы сделать что-то инновационное. Запутанность может делать многое, о чём мы можем только мечтать — это лишь верхушка айсберга», — сказал Шен.
