Российские физики разработали установку, которая позволяет отделять (отщеплять, как говорят специалисты) от света фотоны буквально по одному и при этом пристально следить за его квантовым состоянием. Разработанный метод существенно расширяет возможности управления светом на квантовом уровне и уже сейчас может быть использован для увеличения точности определённых оптических приборов.
Управление светом на квантовом уровне – основная задача квантовой оптики. Добавляя и уменьшая количество фотонов заданным образом, можно получать различные экзотические состояния света. Они могут использоваться в системах передачи и обработки информации и точных измерительных приборах.
Главный источник света в нашем мире – Cолнце. Свет нашего светила, равно как свет лампы накаливания или свечи находится, как говорят специалисты, в тепловом квантовом состоянии. Парадоксально, но, уменьшив число фотонов, можно увеличить энергию такого света (довольно сложно объяснить, в чём тут дело, не углубляясь в дебри квантовой физики, просто поверим учёным на слово).
Этот эффект можно использовать для регистрации предельно слабого излучения, у которого не хватает энергии, чтобы запустить в детекторе нужный физический процесс.
"Основная цель работы заключалась в том, чтобы разработать простой метод по отщеплению заданного и достаточно большого числа фотонов от произвольного состояния света", – рассказал один из авторов статьи Константин Катамадзе, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник кафедры квантовой электроники отделения радиофизики физического факультета МГУ.
Учёные разработали такой метод и протестировали его на тепловом состоянии света. Правда, для экспериментов нужна интенсивность излучения, которую не получишь с помощью лампочки. Но ещё в 60-х годах прошлого века физики поняли, что тепловое излучение нужной интенсивности можно получить, пропустив лазерный луч через вращающийся матовый диск, который случайным образом меняет интенсивность и фазу излучения.
Для отщепления фотонов авторы использовали светоделитель (устройство, делящее луч света на две части) с малым коэффициентом отражения. Такой прибор пропускает через себя почти весь свет, но малую его долю отражает в заданном направлении. Для регистрации отражённого излучения применялся детектор, способный улавливать отдельные фотоны. Регистрация фотона этим детектором означала, что фотон отщеплён у света, прошедшего через светоделитель.
Ключевая особенность эксперимента состоит в том, что учёные подобрали временные параметры теплового излучения таким образом, чтобы один детектор мог последовательно зафиксировать несколько фотонов, отщеплённых от одного и того же квантового состояния света.
Специально для этой задачи учёные из Физико-технологического института РАН разработали метод статистической обработки экспериментальных данных, который позволил собрать точные данные о полученных в результате эксперимента квантовых состояниях. Как уточняется в пресс-релизе МГУ, один за другим было отщеплено десять отдельных фотонов.
"Разработанный метод может быть в дальнейшем использован для отщепления и добавления фотонов к неклассическим состояниям света, что, безусловно, найдет применение в задачах квантовой информации и квантовой метрологии", – заключил Катамадзе.
Добавим, что в работе принимали участие учёные из Московского государственного университета, Физико-технологического института РАН, Национального исследовательского ядерного университета МИФИ и Национального исследовательского университета МИЭТ. Результаты исследований опубликованы в журнале Physical Review A.
К слову, "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее писали о том, как учёные придумали способ запереть свет внутри прозрачного материала, остановили свет на целую минуту и закрутили световую волну в спираль.
