Фізика
Фізика

Фізики двічі впіймали фотон та не зруйнували його

Німецькі вчені двічі зафіксували рух фотона оптоволокном, не зруйнувавши його. у рубідієвому детекторі. За одним фотоном слідкувало два резонатори на відстані 60 метрів один від одного — це перший експеримент із рухомою частинкою. Новий метод допоможе відслідковувати фотони у додатках квантового зв'язку, а сумісна робота двох детекторів навіть краще справилася із шумом, ніж коли вони були поодинці. Стаття доступна у Physical Review Letters.

За допомогою одного з таких оптичних резонаторів, всередині якого розмітсили атом рубідію-87 у «приготованому» квантовому стані, дослідники провели послідовні неруйнуючі вимірювання одного і того ж фотона в двох різних місцях / Max Planck Institute of Quantum Optics 

За допомогою одного з таких оптичних резонаторів, всередині якого розмітсили атом рубідію-87 у «приготованому» квантовому стані, дослідники провели послідовні неруйнуючі вимірювання одного і того ж фотона в двох різних місцях / Max Planck Institute of Quantum Optics

Як впіймати фотон?

Проблема з фотонами в тому, що вони легко поглинаються в тому числі і тим, чим їх намагаються виміряти. Загалом, якщо їх багато, то це не заважає вимірювати, наприклад, напруженість електричного поля, однак якщо їх у системі мало, то зникнення принаймні одного повністю змінює стан вимірюваного об'єкта. Досі за фотонами ми вміли слідкувати, фіксуючи їхнє зіткнення. Тільки-но частинка досягне детектора — електронними приладами реєструється імпульс струму, що з'являється, і так ми отримуємо інформацію про наявність фотона. Однак, оскільки цей метод вимірювання руйнує фотон, це ускладнює квантові обчислення, адже фотон ніс певну інформацію.

З подібною проблемою ви і мали стикатися майже кожного разу, як цікавилися квантовою фізикою — вимірювання неминуче вплине на вимірюване. Тому квантова фізика розрізняє два види вимірювань. У першому випадку зворотна дія на вимірюване не дає змогу здійснити повторні вимірювання, бо вони призведуть до інших результатів. А у другому, коли вимірювання проецює стан системи на стан власне спостережуваного параметра, ми все ж можемо спробувати безперервно (або кілька разів) спостерігати за координатою. Другий випадок називається квантовим неруйнівним вимірюванням і залежить від того, чи вдасться вченим контролювати амплітуду коливань осцилятора так, щоб вони змінилися на величину, меншу, ніж амплітуда нульових коливань. Це і намагалися зробити вчені із фотоном, який запустили 60-метровою лінією оптоволокна.

Як не руйнувати фотони?

У минулому повторювані неруйнівні вимірювання виконувалися тільки для нерухомих фотонів всередині мікрохвильових резонаторів. Наприклад, швейцарські фізики навчилися так виявляти мікрохвильовий фотон, відстежуючи його вплив на квантовий стан надпровідного кубіта. А американські вчені теоретично описали детектор на основі нелінійного квантового метаматеріалу, здатного виявити одиничний мікрохвильовий фотон із точністю у 90 відсотків, не руйнуючи його. Оптичні фотони також вдавалося виявляти без руйнування, однак повторне вимірювання здійснити не вдалося, а імовірність того, що фотон лишився цілим склала 66 відсотків.

У новій роботі група фізиків знайшла і експериментально підтвердила неруйнівний метод виявлення фотона в двох різних місцях, поки він рухався через оптоволокно. Це вкрай необхідно для реалізації квантових комунікацій і заплутування віддалених квантових систем. Так вони створили детектор з одного атома рубідію-87, укладеного в оптичний резонатор. Резонатор мав відбивати будь-який потрапляючий на нього фотон, що в результаті змінювало б квантовий стан рубідієвого атома. Так, відстежуючи його стан у детекторах на відстані 60 метрів один від одного вздовж оптичного волокна, команда могла стежити і за фотоном. Фотони на волокно спрямовував оптичний циркулятор за допомогою слабких когерентних лазерних імпульсів. Фотон, що потрапляв у циркулятор, спрямовувався до детектора, а потім, після відбиття від детектора, розвертався назад уздовж основного волокна у своєму первісному напрямку.

Серія детекторів, зображених у формі лампочок, що прикріплені на кінцях 60-метрового оптоволокна. Червоною хвилястою стрілкою поширюється фотон виявляється кілька разів, що позначається освітленими лампочками. Так свою систему бачать вчені (а). На малюнку (b) проілюстрована схема проведеного експерименту, де слабкий когерентний пульс послідовно взаємодіє з двома детекторами. Emanuele Distante et al. / Physical Review Letters, 2021

Серія детекторів, зображених у формі лампочок, що прикріплені на кінцях 60-метрового оптоволокна. Червоною хвилястою стрілкою поширюється фотон виявляється кілька разів, що позначається освітленими лампочками. Так свою систему бачать вчені (а). На малюнку (b) проілюстрована схема проведеного експерименту, де слабкий когерентний пульс послідовно взаємодіє з двома детекторами. Emanuele Distante et al. / Physical Review Letters, 2021

Що наміряли фізики?

Щоб запустити експеримент, атоми у детекторах «приготували» у відомий квантовий стан, аби потім зміну його фотоном можна було побачити. Вчені спостерігали корельовані зміни в станах атомів, які вказували на те, що один і той же фотон послідовно взаємодіяв з кожним з детекторів. Замість того, щоб скеровувати у них поодинокі фотони, фізики вирішили проводити експерименти зі слабкими когерентними лазерними імпульсами — так для вимірювання сканується середнє число фотонів в кожному імпульсі. У першому запуску системи вони подивилися на роботу детекторів поодинці. Так точність першого склала 81,3 відсотка, а другого — 87. Різниця, за словами науковців, у тому числі обумовлена ​​й трохи різними експериментальними параметрами: часом когерентності лазера і якістю раманівських імпульсів. Втім, якщо їх поєднати, точність перевершує максимальні можливості обох і складає 91,5 відсотка, що вказує на підвищення ефективності виявлення. Це також важливий результат експеримента, адже так вчені показали, що комбінована система з двох детекторів перевершує обидва окремих пристрої з точки зору відношення сигнал / шум. Втім, навіть якщо теоретично у цю систему і можна буде під'єднати більшу кількість детекторів, що підвищить точність, від більшої кількості взаємодій існує імовірність, що фотон все ж таки зникне із волокна.

Цей метод, на думку вчених, можна буде реалізувати і з поодинокими іонами, і надпровідними кубітами, і квантовими точками, що може прискорити безліч протоколів квантових мереж, як-то розподіл заплутаності, де нову спробу передавання інформації можна буде розпочати одразу, як виявиться втрата фотона між відправником і отримувачем.

мікрохвильовий фотон
з частотами приблизно від 5 до 20 ГГц.