Физики впервые "сфотографировали" квантовую запутанность

Квантовая запутанность остаётся объектом пристального внимания учёных уже многие десятилетия.

Иллюстрация Pixabay.

Принципиальная схема визуализации квантовой запутанности фотонов.

Иллюстрация Paul-Antoine Moreau et al., Science Advances (2019)/перевод Вести.Наука.

Изображения, прошедшие различные фазовые фильтры, демонстрируют, что камера регистрировала фотоны с изменённой фазой.

Иллюстрация Paul-Antoine Moreau et al., Science Advances (2019)/перевод Вести.Наука.

Квантовая запутанность – одно из самых удивительных явлений в квантовом мире. Новое исследование впервые позволило человечеству буквально увидеть его.

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о квантовой запутанности. Напомним в двух словах, о чём речь. Когда два объекта (обычно используются фотоны) запутаны друг с другом, изменение в состоянии одного мгновенно отражается на состоянии другого, какое бы расстояние их ни разделяло. При этом никаких физических взаимодействий между двумя запутанными частицами нет. Волшебство? Наука.

Принципиальная схема визуализации квантовой запутанности фотонов.

В новом эксперименте физики создавали пары запутанных фотонов. Для этого они облучали кристалл бета-бората бария ультрафиолетом. Испускаемый кристаллом свет попадал на светоделитель, разделяющий световой луч надвое. При этом фотоны первого луча оказывались запутанными с фотонами второго. Каждый луч проходил через собственный пространственный модулятор света (ПМС).

Помимо этого первый луч встречал на своём пути так называемый фазовый объект, который менял фазу фотонов.

Далее первый луч поступал на приёмник. По оптоволокну фотоны добирались от него до однофотонного лавинного диода (single-photon avalanche diode, или SPAD). Этот прибор порождал кратковременный, но заметный электрический ток даже в ответ на приход одного фотона.

Ток, порождаемый SPAD, включал сверхчувствительную камеру. Камера была установлена так, чтобы в её объектив падал второй луч.

Но второй луч не встречал на своём пути устройства, меняющего фазу. Зато он проходил через фазовые фильтры, пропускающие только фотоны с определённой фазой.

Чтобы не потеряться в этом обилии терминов и процессов, поясним разницу между первой и второй ситуацией "на пальцах". Вообразим, что луч света – это поток не фотонов, а людей. На пути первого потока стоит сумасшедший модельер, который насильно всех переодевает (это изменение фазы). Второй поток встречается со строгими охранниками, которые никого не переодевают, но пропускают лишь тех, кто соответствует заявленному дресс-коду (это фазовый фильтр). При этом охранникам можно дать инструкцию пропускать (или, наоборот, задерживать) лишь тех, кто одет согласно вкусу модельера. Благодаря этому можно судить о том, подвергся ли влиянию безумного модельера тот поток людей, что не встречался с ним самим.

Возвращаясь к физике, можно сказать, что фазовые фильтры помогают понять, изменилась ли фаза фотонов второго луча (которые не встречались с меняющим фазу объектом), однако известно, что это делали запутанные с ними "близнецы" из первого луча.

Первый фотон из пары инициировал включение камеры как раз тогда, когда до неё добирался второй фотон из пары (если его пропускали фазовые фильтры). Для этого путь второго луча был удлинён специальной линией задержки, состоящей из четырёх зеркал.

Камера фиксировала, достиг ли её второй фотон, то есть пропустили ли его фазовые фильтры.

Эксперимент подтвердил, что первый фотон менял фазу синхронно со вторым, несмотря на то, что он не проходил через меняющий фазу объект. Так и должно было быть, поскольку фотоны в первом и втором лучах были запутаны между собой, и изменение в состоянии одного моментально отражалось на состоянии другого.

Изображения, прошедшие различные фазовые фильтры, демонстрируют, что камера регистрировала фотоны с изменённой фазой.

"Изображение, которое нам удалось запечатлеть, является элегантной демонстрацией фундаментального свойства природы, впервые зафиксированного в форме изображения. Это захватывающий результат, который можно использовать для развития новой области квантовых вычислений и создания новых типов визуализации [квантовых явлений]", – объясняет первый автор статьи Поль-Антуан Моро (Paul-Antoine Moreau) из Университета Глазго.

К слову, ранее "Вести.Наука" рассказывали о том, как свет древнейших квазаров подтвердил реальность квантовой запутанности, и об эксперименте по выявлению возможного влияния гравитации на этот феномен.