Новая "квантовая линейка" измерит расстояние с точностью до миллиардных долей метра

Александр Львовский и Александр Уланов в Лаборатории квантовой оптики в РКЦ.
Фото РКЦ.

Физики из Российского квантового центра, МФТИ, ФИАНа и парижского Института оптики (L’Institut d'optique) придумали метод создавать особое состояние квантовой запутанности, которое позволяет получить сверхточную "линейку", способную измерять расстояние в сотни километров с точностью до миллиардных долей метра.

"Эта техника позволяет использовать квантовые эффекты для повышения точности измерения расстояния между наблюдателями, которые отделены друг от друга средой с потерями. В такой среде квантовые характеристики света легко разрушаются", – объясняет Александр Львовский, соавтор статьи, руководитель научного коллектива в РКЦ, выполнившего исследование, и профессор Университета Калгари в США.

Предметом исследований стали так называемые N00N-состояния фотонов, в которых возникает суперпозиция пространственных положений не одного фотона, а сразу множества. То есть многофотонный лазерный импульс одновременно находится в двух точках пространства.

Эти состояния могут иметь большое значение для метрологии, точнее для резкого улучшения возможностей оптических интерферометров, например, для тех, что использовались для открытия гравитационных волн в рамках проекта LIGO.

В оптических интерферометрах лучи лазера, приходящие от двух зеркал, "смешиваются" друг с другом, и возникает интерференция – волны света, накладываясь, либо гасят друг друга, либо усиливают – в зависимости от точного положения зеркал. Это позволяет измерять их микроскопические смещения, потому что расстояние между полосами равно длине волны – примерно 0,5-1 микрометра (10-3 м). Однако для многих экспериментов нужна ещё более высокая точность. Например, для обнаружения гравитационных волн требовалось измерять смещения, сопоставимые с диаметром протона (фемтрометры, то есть 10-15 м).

И здесь могут пригодиться N00N-состояния, поскольку при интерференции они создают полосы, расстояния между которыми много меньше длины волны. Соответственно, повышается и точность измерения расстояний.

"Проблема в том, что N00N-состояния чрезвычайно чувствительны к потерям. Проходя большие расстояния – как в атмосфере, так и по волоконным каналам – луч света неминуемо ослабляется. Для обычного, классического света это не так страшно. А вот если запутанное световое состояние пройдёт через среду даже с небольшими потерями, запутанность "распутается", и никакой выгоды мы от неё уже не получим", – говорит Львовский.

Но он и его коллеги наши способ решить эту проблему.

"Есть такое явление – обмен запутанностями. Допустим, у Алисы и Боба (так в физике называют участников обмена квантовыми объектами) есть по запутанному состоянию. Тогда если я возьму одну часть запутанного состояния от Алисы, вторую от Боба, и проведу над ними совместное измерение, то оставшиеся части состояний Алисы и Боба тоже станут запутанными, хотя до этого никогда не взаимодействовали", – объясняет руководитель исследования.

"В нашем эксперименте, который проводился в лаборатории РКЦ, Алиса и Боб создают два запутанных состояния. И посылают одну из частей в среду с потерями, которую в нашем опыте моделирует затемненное стекло. Третий наблюдатель, посередине между Алисой и Бобом, проводит совместное измерение на этих частях. В результате происходит обмен запутанностями: оставшиеся части состояний Алисы и Боба оказываются в состоянии N00N. А поскольку эти части потерь не испытали, они выказывают свои квантовые свойства в полной мере", – объясняет ведущий автор статьи, научный сотрудник РКЦ и аспирант МФТИ Александр Уланов.

По его словам, уровень потерь в этом стекле соответствовал толще атмосферы примерно в 50 километров. В целом же этот метод позволяет обеспечить сверхточные измерения дистанций в сотни километров, что вполне удовлетворяет современным требованиям – плечо интерферометра LIGO, например, имеет длину около четырёх километров.

Результаты работы российских и французских исследователей были опубликованы в престижном научном журнале Nature Communications.

Сегодня