Квантовый «светофор» из трёх спутанных фотонов
Физикам-теоретикам удалось экспериментально получить квантово-механическое «спутанное» состояние из трёх фотонов, причём в качестве степени свободы для создания такого состояния использовался цвет, то есть энергия волны фотона, а не поляризация, как обычно делалось раньше.
Статья об этом авторства исследователей из кампуса в Урбане-Шампейне Иллинойсского университета (University of Illinois at Urbana-Champaign, UIUC) вышла 16 августа 2019 года в одном из самых авторитетных физических журналов Physical Review Letters.
Спутанные квантовые состояния — это странная сущность не только для человека, незнакомого с квантовой механикой, но даже для физика-нетеоретика. Одно из ходовых шуточных объяснений такое: у вас есть два носка. Когда вы надеваете (любой из них) на левую ногу, он становится «левым», и при этом второй носок, пусть даже находящийся на некотором расстоянии от первого, автоматически и мгновенно становится «правым» (в физике это называется «мгновенная передача информации«). То есть, это составное состояние двух или нескольких квантовых систем, которое нельзя разложить на прямое произведение «чистых» состояний его подсистем; другое название — несепарабельное состояние.
Под квантовой системой чаще всего понимают отдельный фотон и рассматривают спутанные состояния из двух, трёх и так далее фотонов. Разумеется, с ростом числа фотонов классификация таких состояний становится все более нетривиальной, в том числе и по типам сепарабельности — так, для трёх фотонов уже появляется «бисепарабельность» — разложимость на два спутанных и одно чистое состояние, ну и так далее.
Спутанные состояния давно не являются лишь теоретической конструкцией — следствием квантово-механического формализма, как, например, были чёрные дыры (конечно, до недавней фотосессии с чёрной дырой). За этими теоретическими конструктами — вполне осязаемое будущее, а именно квантовые компьютеры, квантовая криптография или системы «телепортинга информации» (этот странный термин используется, чтобы не путать его с научно-фантастической «телепортацией»).
Спутанные квантовые состояния экспериментально достижимы и измеряемы. Для их получения используются различные «нелинейные» материалы (с нелинейной зависимостью поляризации от напряжённости электрического поля, то есть существенно не укладывающиеся в математический аппарат привычной линейной оптики с её принципом суперпозиции). Так, в данном эксперименте использовали один из видов поляризационно-устойчивого оптоволокна (PMF) с обозначением PM780-HP. «W-состояния» — это один из двух возможных типов недвусепарабельных (неразделяемых для двух из трёх) спутанных состояний для систем из трёх фотонов. Они имеют некоторые преимущества перед другими трёхфотонными состояниями с точки зрения возможностей передачи информации квантовых систем, в частности, благодаря определённой помехоустойчивости — например, информация о спутанном состоянии сохраняется при «потере» одного из фотонов.
Новизна результата, заслужившего публикацию в именитом журнале, заключается в том, что ранее в качестве «степени свободы» фотонов, по которой и происходило спутывание состояний, обычно использовалась их поляризация, в частности, и для создания W-состояний. Здесь же в качестве переменной для спутывания используется цвет: четыре фотона от лазерного источника облучения (титан-сапфировый лазер со связанными модами), взаимодействуя с материалом оптоволокна, аннигилируют, порождая две пары фотонов двух разных энергий (цветов), и три из этих фотонов, например, два «красных» и один «зелёный», используются для создания спутанного W-состояния. Отсюда используемая для иллюстрации аналогия с тремя цветами уличного светофора. Детектирование оставшегося «зелёного» фотона на выходе из оптической системы даёт ключ к идентификации собственно конкретного W-состояния.
Другим новшеством работы также стал способ детектирования и идентификации таких состояний с использованием изначально имеющейся информации о свойствах лазерного источника излучения, в обход стандартных методов, требующих манипуляций с преобразованием частоты света.
Такие W-состояния, реализованные в оптоволокне, найдут применение в области квантовой коммуникации, которая будет более помехоустойчивой: если один из фотонов будет потерян, два других сохранят спутанность, и сообщение будет доставлено.
