Впервые доказана квантовая природа тепловых фотонов

Китайские ученые показали, что интерференция в квантово-механическом режиме возможна для фотонов, излученных совершенно непохожими и удаленными источниками. В рамках эксперимента они продемонстрировали квантовое запутывание и нарушение неравенств Белла для пар частиц света, одна из которых была порождена искусственной квантовой точкой, а другая прибыла от Солнца, которое находится на расстоянии 150 миллионов километров. Помимо первого доказательства квантового поведения света от теплового источника излучения, работа может пригодиться при развитии технологий телепортации, криптографии и при исследовании звезд, пишут физики в препринте на сайте arXiv.org.

Многие свойства света можно объяснить классической электродинамикой, но результаты некоторых экспериментов можно объяснить только с точки зрения квантовой механики. К таким ситуациям относится эффект Хонга — У — Мандела, который заключается в необъяснимой с классической точки зрения вероятности выхода пары одинаковых фотонов из светоделителя. Светоделитель — это оптический прибор, при попадании на который фотон с определенными вероятностями отражается или продолжает прямолинейное движение. В простейшем случае эти вероятности равны 0,5. Если два фотона одновременно входят в светоделитель, то теоретически существует четыре различных исхода: в двух фотоны покидают прибор вместе через один выход, а в других — через разные. С точки зрения классической теории все эти вероятности одинаковы, однако в 1987 году физики экспериментально показали, что это не так: в случае неразличимых фотонов (все характеристики которых одинаковы) они всегда будут покидать светоделитель вместе — этот феномен был назван эффектом Хонга — У — Мандела.

В исходном эксперименте по доказательству эффекта использовались фотоны из одного квантового источника, то есть заведомо похожие частицы. С тех пор проводились эксперименты с все более разными квантами света, но в подобных опытах никогда не доказывалась квантовая природа теплового излучения, для которого характерно согласованное поведение фотонов, что можно описать моделью бозонного газа. Цзянь-Вэй Пань (Jian-Wei Pan) из Научно-технического университета Китая и его коллеги впервые однозначно доказали справедливость эффекта Хонга — У — Мандела для тепловых фотонов солнечного света.

В рамках эксперимента ученые собирали излучение Солнца, отфильтровывали из него нужные частоты, поляризовали подходящим образом и направляли через оптоволоконный кабель на светоделитель, к которому с другой стороны двигались фотоны с известными свойствами от возбуждаемой лазерными импульсами квантовой точки, находящейся в криостате при температуре четыре кельвина.

Фотоны из квантовой точки сразу получаются подходящими для проверки эффекта Хонга — У — Мандела, так как они излучаются по одному и обладают одинаковыми параметрами, такими как энергия (длина волны), поляризация и время прихода. В то же время солнечный свет, как и любое тепловое излучение, обладает очень широким и сложным спектром, а также становится еще сложнее при прохождении через атмосферу Земли.

Измерения показали вероятность наблюдения выхода пары фотонов вместе на уровне 0,796, что значительно превышает предсказываемое в рамках классической физики значение 0,5. Физики отмечают, что им не удалось подобраться ближе к идеальному значению в единицу именно из-за сложностей работы с тепловым излучением Солнца, в частности, из-за вклада многофотонных событий. Также ученые доказали возникновение квантовой запутанности между выходящими фотонами, измерив нарушение неравенств Белла в форме CHSH на уровне трех стандартных отклонений.

По словам авторов, их работа может помочь создать крупномасштабные системы передачи квантовой информации, обеспечив возможность взаимодействия фотонов из разных источников. Одним из применений такой системы может стать квантовая телепортация, то есть перенос квантового состояния одной частицы на другую, что с точки зрения физики «превращает» последнюю в исходную. Исследователи уже начали подготовку к следующему эксперименту по телепортации квантового состояния солнечного фотона.

Другим направлением развития идеи может стать использование света других звезд, а не Солнца. Для этого понадобится достаточно крупный телескоп и источники отдельных фотонов намного более высокого качества, но в результате потенциально становятся возможными принципиально новые исследования, такие как определение резких изменений магнитных полей звезд или более точный прогноз космической погоды.

Взаимосвязь квантовой механики и тепловых состояний света исследуется учеными не впервые. Например, недавно российские физики показали возможность описания эффекта квантового вампира в случае теплового излучения исключительно в рамках классических представлений. Свет звезд также был использован физиками для проведения опытов по квантовой оптике. В частности, с его помощью удалось доказать нарушение неравенств Белла в космических масштабах.

Тимур Кешелава