Учёные Германии и России поймали 100 тысяч запутанных фотонов

Так можно было бы представить генерацию фотонов в запутанных квантовых состояниях в результате спонтанного параметрического рассеяния лазерного потока в нелинейном кристалле (иллюстрация J-Wiki/Wikimedia Commons).

Немецким учёным удалось получить 100 тысяч фотонов, находящихся в состоянии квантовой запутанности. Важность этого достижения подчёркивает тот факт, что предыдущий рекорд составлял всего 12 фотонов.

Явление квантовой запутанности представляет собой хрупкую связь, которая возникает между двумя и более частицами. Запутанные частицы имеют одинаковое квантовое состояние независимо от расстояния, которое разделяет их в пространстве. При этом если одна из частиц меняет своё состояние, то же самое делают все остальные её "собратья".

Раньше для получения нескольких запутанных фотонов учёные пропускали луч лазера через оптический кристалл, называемый поляризационным разделителем. Проходя через кристалл, частица света разделялась на два более слабых запутанных фотона, один из которых сохранялся в установке, а второй разделялся ещё на два. При этом с каждым раздвоением интенсивность луча света падала в два раза.

После нескольких подобных операций точности регистрирующих приборов становилось недостаточно, чтобы регистрировать квантовое состояние вновь образовавшихся частиц.

Мария Чехова и её коллеги из Московского Государственного Университета и Института изучения света Макса Планка разработали и применили совершенно новую методику измерений, которая позволила работать с гораздо большим числом фотонов, пишет New Scientist.

Учёные "стреляли" короткими лазерными импульсами через поляризационный разделитель пучка (polarizing beam splitter), получая два луча с разной поляризацией фотонов.

Потом оба луча пропускали через два нелинейных кристалла бария. Нелинейная природа кристаллов приводила к тому, что каждый фотон порождал новую пару связанных частиц с одинаковой поляризацией, но с разными энергиями, скажем, A и B.

Так как фотон является одновременно и частицей, и волной, то разнились и длины волн полученных фотонов. В результате одна частица принадлежала инфракрасной части спектра, а другая – видимой.

Первоначальный распад в кристалле происходит спонтанно, и, как только первая пара фотонов оказывается в кристаллах, она инициирует появление новых пар. В конце концов физики получают каскад запутанных частиц, находящихся в сжатом состоянии.

Затем пучки связанных фотонов учёные направляют на второй поляризационный разделитель пучка, только он на этот раз не делит, а объединяет их, делая общий луч неполяризованным. Направляя свет на дихроическую пластинку, учёные изменяют поляризацию фотонов. Так поляризация фотонов с энергией A различается на 90 градусов с поляризацией фотонов с энергией B.

На выходе учёные получают фотоны в запутанном состоянии: скажем, если частицы с энергией A имеют вертикальную поляризацию, то частицы с энергией B будут горизонтально поляризованными и наоборот (в случае круговой поляризации – могут быть с левой и правой, соответственно).

Чтобы понять, что полученные фотоны были запутаны, исследователи пропускали луч через третий поляризационный разделитель. Он направлял фотоны с разной поляризацией на два отдельных детектора. После этого учёные подсчитывали количество частиц в каждом луче. Корреляция сигналов с двух датчиков указывала на степень запутанности фотонов в импульсе. Результаты измерений показали, что все 100 тысяч фотонов оказались в состоянии квантовой запутанности, зависимости друг от друга.

Подробный отчёт о последнем исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.

Специалисты считают, что рано делать однозначные выводы о работе немецких исследователей. Ведь до этого состояние квантовой запутанности "ловили" по двум состояниям, а в последнем эксперименте количество этих состояний достигало одного миллиона. Это делает само понятие запутанности гораздо более сложным.

Однако результаты, полученные группой немецких физиков, в любом случае имеют большое значение для развития квантовой науки. Они могут быть использованы при разработке абсолютно новых систем передачи данных, которые, как ожидается, лягут в основу квантовых компьютеров и квантового Интернета будущего.