Физики сфотографировали две запутанные квантовые частицы

Ученые использовали первую в своем роде технику для визуализации двух запутанных частиц света в реальном времени, благодаря чему они получили снимок потрясающего квантового символа «инь-ян».

Новый метод, называемый бифотонной цифровой голографией, использует сверхточную камеру и может быть использован для значительного ускорения будущих квантовых измерений. Исследователи опубликовали результаты своей работы 14 августа в журнале Nature Photonics.

Квантовая запутанность — странная связь между двумя удаленными друг от друга частицами — позволяет двум световым частицам, или фотонам, становиться неразрывно связанными друг с другом, так что изменение одной из них вызывает изменения в другой, независимо от того, насколько далеко они друг от друга. 

Чтобы сделать точные предсказания о квантовом объекте, физикам необходимо найти его волновую функцию: описание его состояния, существующее в суперпозиции всех возможных физических значений, которые может принимать фотон. Запутанность усложняет поиск волновой функции двух связанных частиц, поскольку любое измерение одной из них также вызывает мгновенное изменение другой. 

Физики обычно решают это препятствие с помощью метода, известного как квантовая томография. Беря сложное квантовое состояние и применяя к нему проекцию, они измеряют некоторые свойства, принадлежащие этому состоянию, такие как его поляризация или импульс, изолированно от других. 

Повторяя эти измерения на нескольких копиях квантового состояния, физики могут создать ощущение оригинала на основе срезов более низких измерений — например, реконструируя форму трехмерного объекта по двумерным теням, которые он отбрасывает на окружающие стены. 

Этот процесс дает всю нужную информацию, но он также требует множества измерений и выдает множество «запрещенных» состояний, которые не следуют законам физики.

Это ставит ученых перед обременительной задачей кропотливого отсеивания бессмысленных, нефизических состояний — усилия, которые могут занять часы или даже дни, в зависимости от сложности системы.

Чтобы обойти эту проблему, исследователи использовали голографию для кодирования информации из более высоких измерений в управляемые фрагменты более низких измерений.

Оптические голограммы используют два световых луча для создания трехмерного изображения: один луч попадает на объект и отражается от него, а другой светит на носитель записи. Голограмма формируется из узора интерференции света, или узора, в котором пики и минимумы двух световых волн складываются или нейтрализуют друг друга. Физики использовали аналогичный метод, чтобы получить изображение состояния запутанного фотона через интерференционную картину, которую они создали с другим известным состоянием. Затем, сделав полученное изображение камерой с наносекундной точностью, исследователи разобрали полученную интерференционную картину, показав потрясающее изображение инь-ян двух запутанных фотонов. 

«Этот метод работает экспоненциально быстрее, чем предыдущие методы, требуя всего несколько минут или секунд вместо дней», — резюмировал в своем заявлении соавтор исследования Алессио Д'Эррико, научный сотрудник Университета Оттавы в Канаде.