Физикам удалось обнаружить фотоны, не изменив их свойства

Физики научились "видеть" фотоны, не меняя при этом их квантового состояния

Физики научились "видеть" фотоны, не меняя при этом их квантового состояния
(иллюстрация MPQ, Quantum Dynamics Division).

Суперпозиция двух волновых систем

Суперпозиция двух волновых систем
(иллюстрация Wikimedia Commons).

Физики научились "видеть" фотоны, не меняя при этом их квантового состояния
Суперпозиция двух волновых систем

Квантовая теория гласит: невозможно измерить свойства частицы, не затронув при этом её квантового состояния. Этот постулат лежит в основе знаменитого принципа неопределённости Гейзенберга, который невозможно преодолеть на практике. Но новейшие исследования физиков показывают, что его можно в определённой степени… обойти.

Одни учёные разработали новую методику обнаружения одиночных фотонов видимого света без изменения информации, которую они несут. Другая команда исследователей адаптировали эту технологию под фотоны микроволнового излучения, тем самым продвинувшись ещё на шаг к созданию квантового Интернета будущего.

Обычный метод детектирования фотонов (квантов электромагнитного излучения) подразумевает использование датчиков, которые поглощают энергию и разрушают сами частицы. В последние годы исследователи разработали новые способы, которые позволяют извлечь только часть информации, которую несёт фотон, влияя таким образом на её квантовое состояние, но не разрушая его полностью. Ряд этих методик назвали слабыми измерениями.

Но для "квантового Интернета", где информация должна зашифровываться и передаваться без каких-либо изменений, даже этого мало. Дело в том, что квантовые сети кодируют информацию в кубиты, то есть квантовые биты, которые способны принимать значения "0" и "1" одновременно, поскольку могут быть сразу в нескольких квантовых состояниях в одно и то же время. Любое воздействие со стороны (даже измерение состояния) заставит кубит принять какое-то одно значение, и вся ценность квантовых вычислителей сойдёт на нет.

Физики научились "видеть" фотоны, не меняя при этом их квантового состояния (иллюстрация MPQ, Quantum Dynamics Division).

"Новая методика позволяет наблюдать за следом фотона, то есть следить за "конвертом", содержащим информацию, не вскрывая его при этом", — поясняет соавтор нового исследования Штефан Риттер (Stephan Ritter) из Института квантовой оптики общества Макса Планка в Германии.

В рамках своего эксперимента Риттер и его коллеги создали оптический резонатор, состоящий из двух зеркал, обращённых друг к другу и удалённых всего на полмиллиметра друг от друга. Эти зеркала способны поймать между своими поверхностями фотоны со специфической "резонансной" энергией.

В этот резонатор физики загнали атом, находящийся в суперпозиции двух состояний, одно из которых резонировало с устройством. Атом в резонансном состоянии не пускал внутрь устройства фотоны, обладающие той же "резонансной" энергией.

Когда учёные отправили фотон в резонатор, двойное состояние атома спровоцировало сразу два единовременных события. В одном случае фотон не смог пройти внутрь устройства и отскочил от одного из зеркал. В другом он вошёл внутрь резонатора, проскакал между поверхностями двух зеркал и вылетел в том же направлении, что и вошёл.

Суперпозиция двух волновых систем (иллюстрация Wikimedia Commons).

Как объясняет Риттер в пресс-релизе, общее квантовое состояние фотона не было затронуто, в отличие от состояния атома: фаза между раздвоенным и нераздвоенным состояниями была смещена на 180 градусов. Считывая это смещение, физики и выявили прохождение фотона.

Подобный опыт проводился командой французских учёных во главе с Сержем Арошем (Serge Haroche), который стал лауреатом Нобелевской премии за своё достижение. Но его эксперимент, который проходил в 1990 году, был направлен на детектирование фотонов микроволнового излучения, которые не подходят для квантовых коммуникаций.

Коллеги Риттера, не принимавшие участия в исследовании, говорят, что данный механизм может лечь в основу инструмента, необходимого для создания квантового повторителя, ключевого компонента "квантового Интернета" будущего.

Впрочем, шаги на пути к такому устройства, сделаны не все. Прежде всего, Риттеру или другим физикам ещё предстоит "поместить" в состояние суперпозиции сам фотон, чего в данном эксперименте продемонстрировано не было.

Статья с результатами исследования вышла в журнале Science.

Также по теме:
Физики создали квантовую связь между фотонами, разделёнными временем и пространством
Ионный кристалл стал мощнейшим квантовым компьютером
Немцы соорудили первую простейшую квантовую сеть 
В алмазе увидели квантовый эффект Зенона
Физики сделали снимок атома водорода