Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) вновь разрабатывает беспрецедентное оружие. Недавно Пентагон объявил о финансировании исследований в Вашингтонском университете в Сент-Луисе и Техасском университете A&M для разработки прототипа революционного квантового лазера. Этот новый тип лазера призван преодолеть ограничения существующих моделей, включая способность проникать сквозь туман и сохранять эффективность на больших расстояниях.

Лазер кардинально изменил наши технологии с момента своего появления в 1960 году, и до сих пор он не встречает особых препятствий в повседневном использовании. В военном секторе он является незаменимой технологией для целеуказания, спутниковой связи и навигации (в частности, для лидара). Совсем недавно лазеры стали использоваться при создании оружия направленной энергии, которое использует высококонцентрированный лазерный луч для уничтожения небольших целей, таких как беспилотники или ракеты. Однако эта технология не лишена недостатков. Лазер — это, по сути, не что иное, как усиление и концентрация света, а это значит, что он менее точен в неблагоприятных условиях, таких как туман, экстремальные температуры или просто на больших расстояниях.

Чтобы решить эту проблему, DARPA выделяет 930 000 долларов в течение двух лет на исследовательскую программу под руководством Юнг-Цунга Шена, направленную на улучшение характеристик лазера. Вместе со своей командой Шен, доцент Вашингтонского университета и эксперт в области устройств для манипуляции светом, разрабатывает лазер, использующий квантовую запутанность для повышения производительности. Исследователи назвали новый прототип «квантовым фотонным лазером».

В общем, обычные лазеры работают, заставляя электроны различных атомов колебаться в унисон. Когда это происходит, электроны переходят в низкоэнергетическое состояние и испускают когерентный свет с одинаковой длиной волны и фазой. Затем луч света проходит между зеркалами внутри устройства, чтобы сконцентрировать и усилить его, пока он не образует лазерный луч.

Поскольку фотоны нелегко взаимодействуют друг с другом, идея состоит в том, чтобы тщательно контролировать две частицы света (называемые фотонными димерами) одновременно, чтобы использовать их в паре для получения мощного, равномерного лазерного луча. Именно здесь становится важной «квантовая» часть системы. Когда фотоны запутываются, их квантовые состояния связаны и влияют друг на друга мгновенно, даже если их разделяют тысячи километров. Квантовая запутанность, первоначально выделенная Эйнштейном, Подольским и Розеном в 1935 году как парадокс (ЭПР) для критики квантовой механики, была широко подтверждена экспериментами, в частности экспериментами Алена Аспекта в 1980-х годах, которые подтвердили явление нелокальности и нарушение неравенств Белла (за что он был удостоен Нобелевской премии по физике в 2022 году). С тех пор были проведены эксперименты, демонстрирующие квантовую запутанность на все больших расстояниях.

«Фотоны кодируют информацию, когда путешествуют, но путешествие через атмосферу очень вредно для них«, — говорит Шен. «Когда два фотона связаны квантовой связью, они все равно страдают от воздействия атмосферы, но могут защитить друг друга, чтобы сохранить часть фазовой информации«, — добавил он.

Как спутать два протона, если у них нет заряда? Шен нашел решение в своих экспериментах: связать фотоны разной длины волны. Запутанные частицы света проявляли поведение синего фотона, что позволяло изменять их одновременно, сохраняя однородность работы лазера. Теперь Шен и его команда планируют разработать квантовый фотонный лазер, способный управлять различными квантовыми состояниями со скоростью миллион пар (фотонов) в секунду. С практической точки зрения это означает, что лазер сможет сохранять свою точность и мощность, несмотря на неблагоприятные погодные условия.