Впервые получена голограмма одиночного фотона, которая позволит изучать его важнейшую квантовую характеристику – волновую функцию.

Оптики физического факультета Варшавского университета получили первую в истории голограмму одиночного фотона, что ранее считалось невозможным. Она позволила наблюдать за «формой» фотона – его квантовой волновой функцией. Об этом эксперименте, рассказывает статья в журнале Nature Photonics. 

Голограмма одиночного фотона: реконструированная из измерений (слева) и теоретически предсказанная (справа). (Изображение: FUW)

Исследователи за своей установкой (Изображение: FUW, Grzegorz Krzyżewski)

Схема эксперимента. Фотоны с плоским фронтом показаны набором прямых штрихов, фотоны с искривленным фронтом показаны набором изогнутых штрихов.

Волновая функция – ключевое понятие в квантовой механике. Информация о ней позволяет построить модель квантового объекта. В частности квадрат ее модуля представляет собой распределение вероятности нахождения частицы в определенном состоянии. Несмотря на то, что квантовая механика в настоящее время широко используется и за сто лет многократно проверена с большой точностью, физики все еще не в состоянии окончательно сказать: волновая функция – это просто удобный математический инструмент, или что-то реальное. Возможно, эта работа прольет новый свет на эту проблему.

Пространственная структура фотона представляет большой интерес для исследований в области квантовой связи, вычислений, экспериментах по запутанности фотонов и многих других. Однако до сих пор не было простого экспериментального метода получения информации о фазе волновой функции фотона. Фотография для этой цели не годится, поскольку фиксирует только интенсивность света. В отличие от нее голограмма позволяет зарегистрировать и фазу волны. Для создания обычной голограммы содержащая информацию волна, например, отраженная от трехмерного объекта, складывается с опорной волной. Если источники света когерентны, то есть имеют постоянную фазу и длину волны, то образуется сложная устойчивая  картина линий горбов и впадин (интерференционная картина). Если полученное изображение осветить лучом опорной волны, то восстанавливается исходная структура информационной волны, и можно увидеть объемное изображение объекта.

Создание голограммы одиночного фотона до недавнего времени считалось невозможным. Для получения полноценной картины необходимо было зафиксировать несколько отдельных фотонов с одинаковыми свойствами, а на практике их фаза всегда непостоянна. Тогда исследователи перешли к квантовой интерференции, в которой используются получаемые благодаря взаимодействию волновых функций неразличимые фотоны.

Эксперимент, проведенный на созданной исследователями установке, основан на создании двух одинаковых фотонов с плоскими фронтами и разной поляризацией. Электрические поля фотонов колеблются во взаимно перпендикулярных плоскостях. Отражение от изогнутой линзы искривляет фронт одного из фотонов, делая его «неизвестным». Для понимания терминов можно представить волны на воде. Прямые валы волн, накатывающиеся на берег, соответствуют плоскому фронту. Круги на воде от упавшего камня иллюстрируют искривленный фронт. Повторив измерение несколько раз, исследователи получили интерференционное изображение, соответствующее голограмме неизвестного фотона. Оно может быть использовано для полного восстановления амплитуды и фазы волновой функции неизвестного фотона.

Исследователи надеются, что их работа даст в руки физикам инструмент для исследования квантовых явлений, особенно, если в будущем они смогут использовать подобный метод для воссоздания волновых функций более сложных квантовых объектов, таких как атомы.

По материалам Варшавского университета