Реализовано запутанное состояние восьми фотонов

Реализовано запутанное состояние восьми фотонов

 Текст: Дмитрий Сафин | Послушать эту новость

Группа физиков из Научно-технического университета Китая реализовала запутанное квантовое состояние Гринбергера — Хорна — Цайлингера (GHZ) для восьми фотонов.

GHZ можно определить как суперпозицию двух положений: в первом все компоненты участвующей в эксперименте системы кубитов находятся в состоянии |1>, а во втором — в |0>. При работе с фотонами за |1> и |0> удобно принять горизонтальную (Н) и вертикальную (V) поляризацию. Тогда в простейшем случае трёх кубитов можно обозначить состояние GHZ как (|ННН> + |VVV>)/2^0,5.

Обычно в опытах по «запутыванию» нескольких фотонов используют нелинейные оптические кристаллы, которые дают эффект спонтанного параметрического рассеяния — «расщепления» фотона, проходящего сквозь кристалл, на пару квантов с меньшими энергиями. Эти пары оказываются запутаны по поляризации, что и привлекает учёных.

Получение запутанных по поляризации пар фотонов. Справа показаны два возможных случая: в первом светоделитель пропускает оба фотона с Н-поляризацией, а во втором — отражает фотоны с V-поляризацией. (Здесь и далее иллюстрации авторов работы.)

Авторам новой работы, естественно, понадобилось четыре нелинейных элемента (кристалла бета-бората бария, на рисунке выше — ВВО), чтобы создать четыре запутанные пары фотонов с «перпендикулярными» поляризациями. Кванты из каждой пары направлялись к поляризационному светоделителю (PBS), причём на пути одного из фотонов стояла полуволновая пластинка (HWP), которая превращала H-поляризацию в V-поляризацию и наоборот. Следовательно, к светоделителю, пропускавшему Н и отражавшему V, фотоны подходили с одинаковой поляризацией, и прибор либо отражал обе частицы, либо пропускал их. При корректной постановке опыта фотоны появятся на обоих выходах PBS, а их поляризация будет принципиально неопределимой. Другими словами, они должны образовать суперпозиционное состояние (|Н>|Н> + |V>|V>)/2^0,5.

С целью «расширения» этого состояния четыре идентичных блока (ВВО + полуволновая пластинка + светоделитель) объединялись в схему, указанную ниже. Излучение от ультрафиолетового лазера, который выдавал 120-фемтосекундные импульсы с частотой повторения в 76 МГц, последовательно проходило сквозь каждый кристалл, преодолевая расстояние в 1,3 м.

Схема, в которую включаются четыре описанных выше блока. Обозначенные красным «пути» фотонов заканчиваются на однофотонных детекторах.

До настоящего момента физикам не удавалось создать запутанное состояние, в котором участвовало бы более шести фотонов. Основной проблемой была низкая частота регистрации полезных событий, определяемая тем, что процесс спонтанного параметрического рассеяния изначально маловероятен, а эффективность работы приборов — детекторов, регистрирующих фотоны, — далека от стопроцентной. Китайцы, однако, оптимизировали экспериментальную методику и использовали достаточно мощный лазер, в результате фиксируя около девяти восьмифотонных (таких, в которых одновременно срабатывают восемь из шестнадцати обозначенных в схеме детекторов) событий в час.

Измерения подтвердили, что искомое состояние GHZ было создано. Одним из свидетельств этого можно считать статистику регистрации восьмифотонных событий: подавляющее их большинство приходится на две комбинации (НННННННН и VVVVVVVV) поляризаций фотонов из 256 возможных.

Результаты 40-часовой регистрации восьмифотонных событий. Как видно, комбинации поляризаций НННННННН и VVVVVVVV встречаются гораздо чаще, чем любые другие.

Препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.

Подготовлено по материалам Technology Review.