Обратимость времени помогла создать сверхточную «квантовую линейку»

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