Учёные МГУ придумали, как различать пучки спутанных фотонов

Учёные МГУ придумали, как различать пучки спутанных фотонов

Учёные физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова разработали метод, позволяющий создавать два пучка спутанных фотонов и измерять задержку между ними. В будущем результаты могут быть использованы в высокоточных измерениях, исследовании материалов и в информационных технологиях. Статья опубликована в журнале Optics Letters.

В 1966 году профессор кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ Давид Николаевич Клышко открыл эффект параметрического рассеяния света, за что физик и его коллеги позднее были удостоены Государственной премии СССР. Это открытие стало началом квантовой оптики, популярного сегодня раздела физики, изучающего квантовые свойства света. Эффект довольно прост: приходящий в кристалл фотон распадается на два других фотона, сумма частот которых при этом равна первоначальной. Важно, что этот процесс может наблюдаться только в нелинейных кристаллах, в которых частота фотонов может изменяться в процессе рассеяния.

Эффект нашел применение во множестве областей: исследовании самих кристаллов, измерении эффективности фотодетекторов и, собственно, в квантовой оптике, где были продемонстрированы успехи в области квантовой криптографии, квантовых вычислений, а также в красивом эффекте квантовой телепортации. Дело в том, что рождающиеся фотоны оказываются в спутанном состоянии: при измерении поляризации одного фотона, квантовое состояние поляризации второго изменится. Измерение свойств одного фотона «чувствуется» другим моментально, правда, информацию таким способом передавать невозможно.

В недавнем эксперименте учёные МГУ под руководством ведущего научного сотрудника кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ Марии Чеховой попробовали генерировать не отдельные пары спутанных фотонов, а большое их количество — в форме двух мощных пучков из их пар.

«В таком случае у нас коррелируют между собой не отдельные фотоны, а целые пучки. И возникает вопрос: с какой точностью? — рассказал Павел Прудковский, один из соавторов работы. — И если мы задержим один пучок, то вопрос сведётся к тому, насколько надо его задержать, чтобы мы могли заметить это рассогласование».

Для ответа на этот вопрос учёным предстояло заставить фотоны разных частот не разлетаться под разными углами из кристалла, а формировать два пучка света и лететь вместе, параллельно друг другу. Чтобы получить их, кристалл ниобата лития, который обычно используется в таких экспериментах, пришлось выращивать с определённой структурой: наводить в нём дополнительную апериодическую, заранее рассчитанную решётку доменов.

В ходе эксперимента учёные заставили один из двух спутанных пучков фотонов немного задержаться, проходя дополнительный путь, после чего оба пучка попали во второй кристалл — обычный ниобат лития. «В этом кристалле уже происходит сложение частот фотонов, и если пучки приходят синхронно, то сложение происходит эффективнее, чем в других случаях, — пояснил Прудковский. — В результате мы получаем узкий пик в сигнале суммарной частоты. И ширина этого узкого пика — 90 фемтосекунд (10-15 с) — и есть главное достижение».

Таким образом, учёным удалось экспериментально зарегистрировать почти минимально возможный сдвиг между пучками-близнецами спутанных фотонов, который возможно зафиксировать при помощи приборов. По словам учёных, ещё уменьшить эту величину в дальнейшем возможно, однако для этого необходимо усложнить схему эксперимента. «Пока 90 фемтосекунд — это рекордная величина, но она может быть меньше, и мы знаем, что для этого необходимо сделать», — заключил Прудковский. По его словам, поскольку период волны лазерного излучения составляет единицы фемтосекунд, есть возможность уменьшения длины этой задержки и доведения её до порядка десятка фемтосекунд.

Результаты исследования пригодятся в разработке зашифрованных каналов связи, устойчивых к вмешательству и «прослушке». При попытке перехватить пучок спутанных фотонов злоумышленнику так или иначе придется его задержать, однако это вмешательство не останется незамеченным. Помимо этого, регистрация задержки двух квантово-запутанных пучков может найти применение в определении очень слабых, едва уловимых примесей в веществах.

Новости партнеров

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>