Как «увидеть» фотон, не поглощая его?

Как «увидеть» фотон, не поглощая его?

Одним из краеугольных камней квантовой физики можно назвать постулат о том, что вы не можете измерить параметры объекта без того, чтобы не повлиять на него при такой операции. «Обходные манёвры», которые позволяют хоть отчасти избежать такого воздействия, разумеется, есть, и они применяются. Однако теперь учёные отыскали принципиально новый путь обнаружения одиночных фотонов без внесения каких бы то ни было изменений в переносимую ими информацию.

Обычно, чтобы зарегистрировать один фотон, его «ловят» сенсором, который поглощает его энергию, но уничтожает при этом саму частицу. К счастью, так называемое слабое измерение, детали которого вам уже известны, позволяет извлечь из частицы только часть переносимой ею информации, избегая при этом её полного уничтожения.

Это многообещающий подход, но если мы собираемся создавать квантовые сети, использующие квантовую же криптографию, то потребуется переносить фотоны даже без слабого воздействия на них. Любое внешнее возмущение заставит обычный квантовый бит стать либо «1», либо «0», и тогда кубит прекратит своё квантовое существование.

Стефан Риттер (Stephan Ritter) и его коллеги по Институту квантовой оптики Общества Макса Планка (Германия) предлагают для решения этой проблемы нечто вроде чтения конверта кубита и его соответствующей переадресации без узнавания того, что находится внутри «конверта», то есть без воздействия на фотон.

Для этого учёные использовали оптический резонатор из двух зеркал, расположенных на расстоянии полумиллиметра и смотрящих друг на друга. Фотоны со специфической «резонансной» энергией, соответствующей расстоянию между зеркалами, при попадании в такой резонатор будут удерживаться в нём. Внутри резонатора размещался атом, находящийся в суперпозиции двух состояний, одно из которых было резонансным по отношению к данному резонатору. Разумеется, в этом состоянии атом не позволял фотонам с той же резонансной энергией проникать в полость между зеркалами.

Затем по резонатору «выстреливали» фотоном, после чего атом с «раздвоением личности» (в суперпозиции) приводил к реализации сразу двух одновременных событий. Во-первых, в одной из «параллельных вселенных» (то есть его состояний) фотон не вошёл в резонатор, потому что атом в том состоянии обладал резонансной энергией, которая не позволяла сделать это. Фотон просто «отскочил» от поверхности одного из зеркал. Во второй «параллельной вселенной» (втором суперпозиционном состоянии) атом позволил фотону войти в резонатор, где фотон отразился от одного зеркала к другому и покинул полость так же, как зашёл в неё.

Общее квантовое состояние фотона осталось тем же, а вот состояние атома, напротив, было изменено. Сдвиг между его связанным и несвязанным состояниями изменился на 180°. Учитывая это, физики смогли зарегистрировать прохождение фотона, буквально «видя» его без факта воздействия.

Подобное уже делалось, но этот «трюк» удавался только в отношении микроволн, применение которых для квантовых сетей затруднено по практическим соображениям. Теперь же на этой основе вполне можно ждать создания квантового репитера — весьма важного элемента сети будущего «Квантернета».

Чтобы подтвердить описанный выше потенциал новой техники, остаётся продемонстрировать её работоспособность для фотонов, которые также находились бы в суперпозиции. Этим авторы работы и займутся в ближайшее время.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Science.

Подготовлено по материалам Nature News.