Импульсы света содержащие около 100.000 запутанных фотонов были созданы физиками из Германии и России. Импульсы сделаны в состоянии "сжатого вакуума" и исследователи обнаружили, что запутанность должна стать сильнее, когда число фотонов в импульсе увеличивается. Такие импульсы могут найти применение в таких областях, как квантовая криптография и метрология.
Запутанность является квантовым эффектом, позволяющим частицам, таким как фотоны, находиться в гораздо более тесной связи, чем предсказывает классическая физика. Например, можно получить экспериментально два фотона такие, что если у одного при измерении оказалась поляризация в вертикальном направлении, то измерение, проведенное на другом фотоне покажет ту же поляризацию. Это происходит, несмотря на то, что измерения на одиночном фотоне дают случайную величину поляризации. Хотя такая корреляция может произойти и в не квантовом мире, квантовая механика усиливает ее сверх ожиданий классической физики. Это несоответствие между квантовым и классическим мирами было описано кратко северо-ирландским физиком Джоном Беллом в 1964 году и было подтверждено серией экспериментов, проведенных в 1970-х и 1980-х годах.
Недавно Мария Чехова с коллегами из Института Макса Планка (отделение Наук о свете) и Московского государственного университета создали квантовые состояния, содержащие ни много ни мало, а 100000 фотонов, все запутанные друг с другом.
Нелинейные кристаллы
Эксперимент начинается с обстрела лазерным импульсом поляризационного светоделителя, создающего два импульса с различной поляризацией. Они направляются на два нелинейных кристалла и "накачивающие" кристаллы. Благодаря нелинейному характеру кристаллов, фотоны в импульсе накачки могут распадаться на пары запутанных фотонов с одинаковой поляризацией, но с разными энергиями (А и B). Один фотон инфракрасный, а другой из видимого диапазона электромагнитного спектра.
Первоначальный распад в кристалле происходит спонтанно, но первая пара фотонов проходя через кристалл будет стимулировать образование других пар фотонов. Последовавший таким образом каскад будет производить импульс фотонов, которые все запутаны в так называемом состоянии "сжатого вакуума". Импульс сжат, потому что число фотонов в импульсах А и B более точно коррелированы, чем в двух типичных лазерных импульсах равной энергии. Вакуумная составляющая термина появилась из того, что импульс начался спонтанно с нулевых фотонов, а это и есть вакуумное состояние.
Импульсы запутанных фотонов от каждого кристалла, затем объединяют со вторым поляризационным светоделителем, создавая тем самым единый импульс, уже не поляризованный. Этим импульс управляют, используя "дихроичную пластинку", которая поворачивает поляризацию фотонов одной энергии - скажем А - на 90 градусов по отношению к поляризации фотонов с энергией B. В результате получается запутанный импульс, который является «макроскопическим синглетным состоянием Белла", - если поляризация фотона А определяется как вертикальная, то поляризация фотона В будет горизонтальной, и наоборот. Это свойство поляризационной корреляции справедливо для любого выбора состояния поляризации: если фотон А имеет правую круговую поляризацию, например, то фотон B будет с левой круговой поляризацией и так далее.
Измерение запутывания
Следующей задачей исследователей было показать, что фотоны действительно запутаны. Для этого импульс пропускают через последний поляризационный светоделитель, который посылает фотоны с горизонтальной поляризацией в направлении одного детектора фотонов, а с вертикальной поляризацией на второй детектор.
Детекторами подсчитывается общее число фотонов в каждом импульсе и степень запутанности импульсов может быть определена величиной корреляции между сигналами в двух детекторах. В данном случае не представляется возможным проверить запутанность использованием неравенства Белла, потому что в своем стандартном виде оно справедливо только для пары фотонов, чего здесь нет, а вывод макроскопического неравенства Белла все еще остается проблемой. Тем не менее, исследователям удалось выявить запутанность с помощью "условия сепарабельности", применимое к таким системам. Анализ показал, что импульсы имели большую степень корреляции, чем это разрешено классической физикой и поэтому они запутаны.
Больше фотонов, сильнее запутывание
Исследователи также рассчитали параметр импульса, называемый "числом Шмидта", который является мерой степени запутанности в импульсах. Они обнаружили, что это число пропорционально среднему количеству фотонов в импульсе. По их мнению, это означает, что яркие импульсы более запутанны, чем их более слабые аналоги.
Сяо Ци Чжоу (Xiao-Qi Zhou) из Университета в Бристоле, Великобритания, описал установку как "очень умный метод для выявления запутанности в таких много фотонных состояниях". Он добавляет: "Люди знали, что большое [сжатого вакуума] состояние запутано, но не знали, как доказать это экспериментально."
Чжоу считает, что наиболее перспективным применение запутанного импульса - "в практической квантовой метрологии". Например, в фазовой микроскопии и оптических гироскопах.
Чехова говорит, что импульсы могут также быть использованы для квантового распределения ключей (QKD), которое использует запутанность, чтобы позволить двум сторонам обмениваться закодированной секретной информацией. "Квантовая информация может быть закодирована в числе фотонов, а затем пучки А и B будут распределены по двум адресатам", объясняет она. "Этот протокол будет похож на известный протокол Экерта [QKD], основанный на парах фотонов, но здесь алфавит будет больше", добавляет она.
Новость меня заинтересовала не столько обилием запутавшихся фотонов, сколько двумя фразами. Первая: "степень запутанности импульсов может быть определена величиной корреляции между сигналами в двух детекторах". Иначе говоря, практический, экспериментальный критерий запутанности квантового состояния - это степень не соблюдения неравенств Белла. Вторая: "...рассчитали параметр импульса, называемый "числом Шмидта", который является мерой степени запутанности в импульсах". Уже есть оказывается количественная мера запутанности. Правда, неясно что это за параметр "число Шмидта". Будем искать. Если кто расшифрует мне его - буду очень признателен.
С уважением, ОК.