Физики МГУ разработали новый метод создания перепутанных состояний фотонов

Физики МГУ изучили перепутанное состояние фотонов. При перепутанном, или запутанном, состоянии фотонов состояние определено только для всей системы, а для каждой частицы в отдельности — нет. «Перепутанные состояния вообще типичны и повсеместны. Проблема только в том, что для большинства частиц взаимодействие с окружением быстро разрушает перепутывание. Фотоны же практически ни с чем не взаимодействуют, поэтому они являются очень удобным объектом для экспериментов в этой области. Большая часть источников света, с которыми мы сталкиваемся в жизни — классическая, это, например, тепловой свет (Солнце, звезды, лампы накаливания и т. п.), когерентное излучение лазера — тоже классическое. Создание неклассического света — непростая задача. Можно, например, изолировать одиночный атом или искусственную структуру, типа квантовой точки, и регистрировать его излучение — так получают одиночные фотоны», поясняет Станислав Страупе, соавтор статьи, кандидат физико-математических наук, сотрудник кафедры квантовой электроники и лаборатории квантовых оптических технологий физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова. О своей работе ученые рассказали в статье, которая была опубликована в журнале Physical Review Letters.

Для получения перепутанных состояний фотонов чаще всего используют эффект спонтанного параметрического рассеяния света в нелинейных кристаллах. В этом процессе фотон лазерной накачки распадается на два фотона. При этом в силу законов сохранения фотоны оказываются коррелированы, перепутаны. «В нашей работе мы предложили и опробовали новый метод создания пространственного перепутывания — пары фотонов, генерируемые в нашем эксперименте, распространяются пучками, которые оказываются коррелированы по "пространственной форме". Ключевой особенностью нашего метода по сравнению с известными ранее является эффективность», рассказывает Егор Ковлаков, соавтор статьи, аспирант кафедры квантовой электроники отделения радиофизики физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

Пучки фотонов, заснятые с помощью ПЗС-матрицы

Цвета соответствуют интенсивности: от черного (минимальной) до белого (максимальной)

Изучение перепутанных состояний фотона началось в 70-х годах, и сейчас особо активно они применяются в квантовой криптографии — это область передачи квантовой информации и квантовой связи. «Квантовая криптография — лишь одно из возможных приложений, но наиболее на данный момент развитое. В отличии от классической связи, где неважно, какой именно алфавит используется для кодирования сообщения и достаточно использовать бинарный (0 и 1), в квантовой связи все сложнее. Оказывается, что повышение размерности алфавита не только увеличивает количество информации, кодируемое в одном фотоне, но и увеличивает секретность связи. Поэтому хочется развивать системы квантовой связи, основанные в том числе и на кодировании информации в пространственной форме фотонов», отметил Станислав Страупе. Ученые планируют, что в дальнейшем их разработка будет применяться для создания оптического канала со спутником, куда нельзя протянуть оптическое волокно (световод) — основу для оптоволоконной связи.

Материалы предоставлены пресс-службой МГУ.