Квантовый вампир «покусал» тепловой свет
Группа российских физиков под руководством Сергея Кулика, профессора кафедры квантовой электроники МГУ, провела экспериментальное исследование эффекта квантового вампира на тепловых состояниях света. Они показали, что данный эффект может быть объяснен статистическими свойствами излучения без привлечения понятий запутанности или нелокальности, опровергнув таким образом выводы своих предшественников. Доклад, посвященный результатам данных исследований, был сделан на конференции LPHYS’17, которая проходила на прошлой неделе в Казани. Тезисы доклада доступны на сайте конференции.
Квантовым вампиром называется эффект, заключающийся в том, что при определенных условиях тело, которое находится на пути у света, не отбрасывает тени. Эффект получил название благодаря аналогии с вымышленными фольклорными существами — вампирами, — которые также известны тем, что не отбрасывают тени. Квантовым же он был назван потому, что для его объяснения потребовались понятия, связанные с особенностями физики микромира.
Представим себе следующий мысленный эксперимент. Пусть на пути пучка света расположен некоторый объект, рассеивающий фотоны, например облако атомов. Повседневный опыт подсказывает нам, что в соответствующей области на экране должен наблюдаться провал освещенности, то есть тень. Однако, если предположить, что атомы слабо взаимодействуют с излучением, ситуация может поменяться. Для этого необходимо установить счетчик одиночных фотонов, который фиксирует рассеянные световые частицы. Оказывается, в том случае, когда счетчик срабатывает, вместо образования тени за облаком атомов происходит проседание освещенности по всей площади светового пучка.
Эффект квантового вампира впервые был экспериментально обнаружен в группе Александра Львовского и опубликован в журнале Optica в 2015 году. Реальный эксперимент, как это обычно водится в физике, был реализован на несколько иных объектах, нежели мысленный опыт, описанный выше. Его упрощенная схема приведена на рисунке ниже.
Здесь на вход полупрозрачной пластинки (светоделителя) подается свет в состоянии, содержащем несколько фотонов в некоторой моде a. Модой в оптике называется некоторое стационарное решение уравнений на распределение электромагнитного поля. При этом, поскольку свет квантован, то интенсивность излучения, соответствующая данному решению, также квантуется и описывается в рамках числа фотонов — элементарных квантов света.
Когда такой пучок попадает на светоделитель B1, свет переходит в состояние квантовой суперпозиции: он одновременно находится в состоянии отраженном (мода a1) и прошедшем через пластинку (мода a2). Чуть дальше части этого единого когерентного состояния «склеиваются» обратно в исходное состояние другим светоделителем B3, после чего с помощью детектора измеряется число его фотонов. При этом на пути моды a1 реализована система, которая с очень маленькой вероятностью может удалить фотон. Факт удаления фотона регистрируется сигналом от специального счетчика SPCM3.
Эксперимент показал, что если счетчик SPCM3 дает сигнал, то детектор регистрирует число фотонов в исходной моде a, уменьшенное на единицу. При этом говорят, что квантовый вампир «покусал» моду в одном из плечей интерферометра. Данный факт был установлен для одно- и двухфотонных состояний света.
В группе Львовского этот эксперимент был объяснен в рамках понятий нелокальности и квантовой запутанности. Более подробно об этих интересных явлениях можно прочитать в большом интервью, которое Александр Исаевич дал для N + 1. Согласно данному объяснению, важной особенностью такого эксперимента является то, что удаление фотона из одной моды также удаляет фотон и из моды, расположенной от нее на некотором расстоянии, и это изменение происходит мгновенно. Нечто подобное наблюдается при квантовой телепортации.
Это входит в противоречие с повседневным опытом. В обычной жизни мы привыкли к тому, что при поглощении отраженного от какой-либо преграды света интенсивность света, прошедшего эту преграду, не изменяется. В противном случае, если бы мы видели себя в отражении оконного стекла, это означало бы, что по другую сторону окна нас не видно.
Граница, которая пролегает между квантовым и классическим подходами, определяется фактически интенсивностью взаимодействия измерительной системы с модой. Слабое взаимодействие производит преобразование квантового состояния, не разрушающее суперпозицию, в то время как интенсивное взаимодействие, как правило, приводит к ее необратимому измерению, которое также называется коллапсом, или редукцией фон Неймана. Такая редукция это, по сути, многоступенчатый процесс взаимодействия с окружением, в результате чего квантовое система теряет неопределенность. В данном случае, система из состояния с неопределенным выбором пути (отраженный a1 или прошедший a2) коллапсирует с некоторой вероятностью в состояние, соответствующее либо пути a1, либо пути a2. Процесс редукции называется декогерентностью и является одним из самых главных препятствий на пути к созданию квантовых компьютеров.
Авторы же нового исследования отмечают тот факт, что в группе Львовского теоретически и экспериментально работали с состояниями света с фиксированным числом фотоном в моде. Вместе с тем известно, что любой источник света подвержен статистическим флуктуациям числа фотонов, вопрос лишь в том, насколько эти флуктуации существенны. Наиболее сильные флуктуации наблюдаются у источников, генерирующие излучение за счет тепловых процессов (например, лампа накаливания), поэтому свет, описываемый статистическим распределением числа фотонов в моде, получил название теплового света.
Группа Кулика экспериментально продемонстрировала эффект квантового вампира на тепловых состояниях света, пространственно разделенных на две отдельные моды. Они показали, что удаление фотона в одной из них приводит к тому, что в другой моде детектируется тепловое состояние с измененными статистическими свойствами, соответствующими вычитанию фотона. Оказалось, что результаты экспериментов могут быть объяснены без привлечения понятий квантовой нелокальности и запутанности, если просто учесть статистическую (классическую) корреляцию фотонов между собой. Из выводов данной работы следует, что эффект квантового вампира на самом деле не до конца «квантовый».
Хотя существование квантовой суперпозиции в эффекте квантового вампира оказывается под сомнением, исследования подобных систем вызывает большой интерес. В частности, мы уже рассказывали о недавнем исследовании, в котором физикам
суперпозицию порядка выполнения операций.
Марат Хамадеев
Для этого физики упрятали почти четыре тонны жидкого ксенона под гору
Физики из коллаборации PandaX поделились результатами поиска следов электромагнитного взаимодействия обычной и темной материй. Для этого они искали отклонения в числе фотонов, рожденных в 3,7 тонны жидкого ксенона, от модельного предсказания. Отрицательный результат позволил наложить новые ограничения на все типы электромагнитных свойств гипотетических частиц. Исследование опубликовано в Nature. Поиск частиц темной материи — важнейшая задача, над которой физики и астрономы бьются уже почти век. Ее существование доказывают наблюдения за движением галактик и реликтовым излучением, но, несмотря на это, ученые до сих пор не понимают, из чего она состоит. Подробнее про темную материю читайте в материале «Невидимый цемент Вселенной». Среди прочего физики спорят, участвуют ли частицы темной материи в электромагнитном взаимодействии. Само определение «темная» подразумевает отрицательный ответ, однако, это может лишь значить, что такое взаимодействие слишком слабое, чтобы его могли зафиксировать общие наблюдения и эксперименты. Темная материя может состоять из миллизаряженных частиц или частиц с неточечным зарядом, либо частиц с малым электрическими или магнитными дипольными моментами, анапольными моментами и так далее. Поиск следов такого взаимодействия ведется на самых различных установках. Среди прочего, этим заняты физики из коллаборации PandaX-4T, работающие в зале B2 Китайской подземной лаборатории Цзиньпин. Ученые исследуют гипотетический процесс, при котором частица темной материи обменивается фотоном с ядром вещества. Модели предсказывают, что его итогом должно стать излучение, испущенное ускоренным ядром, и излучение, испущенное электронами, оторвавшимися от ядра. Чтобы отыскать такие пары сигналов, физики наполняли свой детектор 3,7 тонны жидкого ксенона, окруженного с двух сторон массивами фотоумножителей. При анализе данных, собранных за 86 дней измерений, ученые учитывали множество фоновых процессов: бета-распады прочих ядер, естественную радиоактивность материалов детектора, влияние солнечных нейтрино и так далее. В результате оказалось, что учета фоновых процессов достаточно, чтобы объяснить происхождение более тысячи событий, зарегистрированных установкой. Результат эксперимента накладывает ограничения на известные электромагнитные модели частиц темной материи в диапазоне масс от 20 до 40 гигаэлектронвольт. Так, из него следует, что зарядовый радиус этих частиц не превышает 1,9 × 10-10 фемтометра, миллизаряд — 1,9 × 10-10 заряда электрона, а электрический и дипольный моменты — 1,2 × 10-23 заряда электрона на сантиметр и 4,8 × 10-10 магнетона Бора, соответственно. Ограничению подвергся также анапольный момент: 1,6 × 10-33 квадратного сантиметра, что почти в три раза меньше, чем предел, полученных в предыдущем исследовании. В качестве иллюстрации авторы сравнили свои ограничения с таковыми для других распространенных заряженный частиц: нейтрона и нейтрино, полученными другими группами. Предел для зарядового радиуса темной частицы оказался на четыре порядка строже, чем у нейтрино, пределы электрического дипольного момента и анапольного момента заняли промежуточное положение между таковыми для нейтрона и нейтрино, а предел магнитного момента оказался на один порядок слабее нейтринного. Ранее мы писали про то, как предыдущая версия детектора PandaX-4T — PandaX-II, — наполненная 0,57 тонны жидкого ксенона, помогла ограничить самодействующую темную материю.