Сотрудники физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова разработали новый метод создания перепутанных состояний фотонов — состояния, в которых пары фотонов оказываются коррелированы, то есть взаимосвязаны между собой.
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.