
Физики из Российского квантового центра, МФТИ, ФИАН и Института оптики (Париж) разработали методику получения особых запутанных многофотонных состояний. Как сообщает пресс-релиз РКЦ, поступивший в редакцию N+1, они могут найти применение для сверхточного измерения расстояний. При дистанциях в сотни километров погрешность может составить лишь единицы нанометров — миллиардных долей метра. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.Авторы работы создавали состояния, в которых пучки из большого количества фотонов находятся одновременно в двух точках пространства. Такие состояния еще называют N00N-состояниями, потому что для записи суперпозиции таких состояний используется сумма (|N, 0> + |0, N>)/√2. Дословно это значит, что попытавшись выяснить, где находится пучок, мы с равной вероятностью увидим, что все фотоны находятся в одном оптоволоконном кабеле или точке пространства или что все фотоны находятся в другом кабеле или точке.Свет в таком состоянии позволяет превзойти дифракционный предел при интерференционных измерениях, подобных тем, которые проводила коллаборация LIGO для поиска гравитационных волн. При интерференции двух обычных когерентных пучков света возникают полосы с расстоянием сопоставимым с длиной волны света. Суммирование N00N-состояний уменьшает эти расстояния во столько раз, сколько фотонов присутствует в пучке.Сложность работы с N00N-состояниями заключается в том, что они легко распадаются — наступает декогеренция из-за потерь при передаче импульса. В новой работе авторы нашли способ сохранить квантовую запутанность даже несмотря на потери. Для этого ученые воспользовались эффектом Хонга—У—Мандела и обратимостью времени в квантовой механике. Эффект Хонга—У—Мандела часто используется напрямую для создания N00N-состояний. Он заключается в следующем. Если два идентичных одиночных фотона направить на светоделитель (полупрозрачное зеркало) с разных сторон от него, то они «склеятся» и полетят в одну и ту же сторону. Иными словами, невозможна ситуация, когда оба фотона одновременно отразятся или испытают преломление в зеркале — это запрещено свойствами квантовой механики. Однако определить, в какую сторону полетят фотоны без измерения невозможно — либо по направлению угла отражения первого фотона (тогда второй фотон преломится), либо по направлению угла отражения второго фотона. Возникает суперпозиция двух двухфотонных состояний.В новой работе ученые использовали обратный эффект, мысленно развернув время вспять. Если в привычном эксперименте по изучению эффекта поставить детекторы на выходе из светоделителя, то каждый раз запуская в него два фотона с разных сторон срабатывать будет лишь один детектор из двух. В обратном эксперименте ученые направляли пучки фотонов сквозь затемненное зеркало на светоделитель (при этом эффекта Хонга—У—Мандела не наблюдается), и выбирали те случаи, когда два детектора срабатывали одновременно. В таком случае, обратив движение света, мы увидим, что изначально пришедшие на зеркало фотоны должны были быть в состоянии N00N, а значит были запутаны. В полной схеме эксперимента роль источников пучков фотонов выполняют два кристалла, в которых свет испытывает спонтанное параметрическое рассеяние. Это означает, что часть фотонов, попадая в такой кристалл, превращается в пары запутанных частиц. По одной частице из пары запутанных частиц направляют на светоделитель, тем самым запутывая их между собой. Это запутывание передается и на оставшиеся фотоны из числа вышедших из кристалла — они тоже оказываются в N00N состоянии.«Допустим, у Алисы и Боба (так в физике называют участников обмена квантовыми объектами) есть по запутанному состоянию. Тогда если я возьму одну часть запутанного состояния от Алисы, вторую от Боба, и проведу над ними совместное измерение, то оставшиеся части состояний Алисы и Боба тоже станут запутанными, хотя до этого никогда не взаимодействовали», – поясняет эксперимент Александр Львовский, соавтор статьи, сотрудник РКЦ и профессор Университета Калгари.Важно, что состояния удается генерировать даже при потерях на пути от кристаллов до светоделителя сопоставимых с потерями в 50-километровой толще воздуха. Как отмечают физики, в целом этот метод позволит проводить сверхточные измерения на масштабах сотен километров. Для сравнения, длина плеч интерферометра LIGO составляет четыре километра, однако ошибка измерений сопоставима с размерами протона.Ранее мы сообщали о том, что физики из РКЦ создали первую в России линию квантовой межбанковской связи. Она предназначена для генерации ключа для шифрования данных методом квантового распределения ключа. Владимир Королёв
