
Оптикам из Университета Бристоля и Центра Квантовых Технологий в Сингапуре удалось разработать методику квантовой оптической томографии, позволяющую точно изучать оптические системы, неизвестным образом воздействующие на пучок света. Для ее осуществления авторы создавали четверки квантово-запутанных частиц и пропускали их через «черный ящик». Подробно о методологии эксперимента можно прочитать в статье, находящейся в открытом доступе в журнале Optica, а краткое изложение новости доступно на сайте Университета Бристоля.Когда ученые говорят о действии разных систем на квантовые частицы (например, одиночные фотоны или электроны), то речь идет об особом классе квантовых воздействий. Благодаря им функционируют лазеры, фотосинтетические центры растений, оптические приборы и многое другое. В большинстве случаев исследователи имеют дело с квантовым «черным ящиком» — неизвестным воздействием, которое хочется прощупать, изучить и затем использовать его максимально эффективно. Обычно «прощупывают» такие «ящики» пропуская через них частицы (например, фотоны), с заранее известным квантовым состоянием, например, поляризацией. Ученые составляют список правил, по которым одно состояние переходит в другое и тем самым получают информацию о процессе, происходящем в «черном ящике». Этот метод называется квантовой томографией процесса.Главная проблема, встающая перед учеными, заключается в том, что однократные измерения не показывают всю глубину «черного ящика». К примеру, если он представляет собой дифракционную решетку, то 10 фотонов будет недостаточно, чтобы увидеть картину дифракции — будет казаться, что они отклоняются от нее хаотично. Поэтому исследователям приходится проводить много различных измерений с разными начальными состояниями фотонов. Однако, есть ряд очень уязвимых систем, которые не могут выдержать большого количества измерений. Поэтому ученые стремятся максимально увеличить эффективность томографии — тогда им удастся анализировать гораздо больше различных объектов. Оказалось, что в этом могут помочь группы особым образом связанных фотонов, пропускаемых через «черный ящик» одновременно.В каком виде ученые получают томограмму процесса? Если рентгеновская томография позволяет медикам увидеть внутреннее строение нашего тела, то квантовая томография дает ученым информацию о том, как устроена главная характеристика процесса — матрица оператора. Оператор здесь — математическая конструкция, функция, описывающая как меняется, например, поляризация фотона в результате процесса. В простейшем случае его можно описать таблицей из четырех комплексных чисел.Квантовая механика ограничивает возможные воздействия на частицы специальным классом операторов, называемых унитарными. Это понятие говорит о том, что если подействовать одним и тем же таким оператором («способом») на любую пару векторов, то их скалярное эрмитово произведение от этого не изменится. Благодаря такому ограничению, необходимая нам таблица записывается уже с помощью четырех «обычных», вещественных чисел a, b, c, d.
