Закрученные фотоны отсортировали по радиальному квантовому числу

Физики предложили способ сортировать фотоны закрученного света по радиальному квантовому числу. Если объединить предложенный метод с уже известными способами разделения фотонов по орбитальному угловому моменту, то можно значительно увеличить скорость работы квантово-коммуникационных систем, пишут ученые в статье в Physical Review Letters.

Обычно при распространении света волновой фронт — область пространства, в которой электромагнитное поле находится в одной фазе — представляет собой плоскость. Однако при определенных условиях можно создавать такой пучок света, в котором фронт волны не плоский, а представляют собой винтовую поверхность. Степень закрученности фронта такого света характеризуется квантовым числом орбитального углового момента. Однако чтобы полностью описать пространственное распределение поля в закрученных пучках с учетом возможного отличия в фазовой скорости, только орбитального углового момента недостаточно, и для этого используется мода Лагерра — Гаусса, которая описывает состояние фотона через два квантовых параметра. Один из этих параметров (азимутальное число) определяется орбитальным угловым моментом, а еще одна степень свободы (радиальное число) определяется фазовой скоростью фотона.

Для эффективной работы квантовых систем, основанных на использовании таких фотонов, необходимо разделять фотоны по всем квантовым числам, но если методы сортировки по азимутальному числу уже разработаны, то эффективно развести в разных направлениях фотоны с разными радиальными квантовыми числами, пока не удавалось. Коллектив физиков из США, Китая и Канады под руководством Мохаммада Мирхоссеини (Mohammad Mirhosseini) из Рочестерского университета предложил метод, который позволяет сортировать фотоны закрученного света и по радиальному квантовому числу с помощью схемы из набора линз и волновых пластин, которая с использованием двух преобразователей Фурье разделяет фотоны с разной фазовой скоростью.

Для экспериментальной проверки предложенного принципа, авторы работы использовали устройство, в котором в качестве источника излучения использовался гелий-неоновый лазер, испускающий пучок когерентного света длиной волны 633 нанометра. Испущенный пучок попадает в пространственный модулятор света, в котором фотоны приобретают нужный набор радиальных квантовых чисел, после чего проходит через два «сортировочных» блока и регистрируется на один из трех детекторов на основе приборов с зарядовой связью. Варьируя начальные параметры пучка света, физики оценили эффективность разделения фотонов с радиальным квантовым числом от 0 до 3.

Оказалось, что эффективность такого метода близка к ста процентам. Поэтому системы, в которых предложенный метод совмещается с методами разделения фотонов по орбитальному угловому моменту, можно использовать в квантовых приложениях, в которых используются фотоны с большим разнообразием квантовых параметров. В первую очередь, это квантовые коммуникации и квантовая метрология. Возможность сортировки фотонов по всем возможным квантовым числам, по мнению авторов работы, значительно увеличит скорость передачи информации в таких системах.

Чем больше квантовых чисел характеризуют конкретное состояние фотона, тем больше информации можно передавать с помощью них в квантово-коммуникационных системах. Например, недавно группа физиков из Южной Африки показала возможность использования орбитального углового момента для обмена квантовой информации между двумя разными парами запутанных фотонов.

Александр Дубов