Новый способ запутывать фотоны оказался эффективнее всех прочих.

Квантовая физика знаменита своей неинтуитивностью: концентрация парадоксов в ней кладёт на лопатки теорию относительности и космологию вместе взятые. Наиболее обсуждаемые в наши дни разделы квантовой физики, в которых парадоксальность воплотилась во всей полноте – это квантовая информация и квантовая оптика.

Пучки фотонов, заснятые с помощью ПЗС-матрицы. Цвета соответствуют интенсивности: от черного (минимальной) до белого (максимальной). (Фото: Егор Ковлаков.)

Квантовая защита информации – святой Грааль для технологии безопасной передачи данных. В основе так называемой квантовой криптографии лежит удивительное квантовое явление – запутанность фотонов (элементарных частиц, переносящих электромагнитное взаимодействие и, в частности, свет).

Суть его в том, что два определённым образом полученных фотона оказываются связаны между собой, так что изменение состояния одного из них вызывает мгновенное изменение в состоянии другого, даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга. Запутанность можно использовать для безопасной передачи данных: если некое третье лицо попробует скопировать информацию, о том мгновенно станет известно ее настоящим владельцам. Однако запутать фотоны и потом еще сохранить их запутанность при неизбежном взаимодействии с окружающим миром – задача весьма и весьма непростая.

Станислав Страупе из МГУ рассказывает об этом так: «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 – Солнце, лампы накаливания, лазеры, светодиоды – называют классическими: испускаемые ими фотоны подчиняются некоторому статистическому распределению. В неклассическом свете из источника вылетает один или два фотона в единицу времени, и создать такой источник довольно сложно. Для этого можно, например, изолировать одиночный атом или квантовую точку и регистрировать одиночные фотоны, испускаемые в результате возбуждения.

Чтобы получить запутанные фотоны, чаще всего используют эффект спонтанного параметрического рассеяния света в нелинейных кристаллах. Для этого кристалл с определёнными оптическими свойствами облучают так называемым лазером накачки. Фотон из лазерного пучка, попадая в кристалл, распадается на два фотона, энергия которых в сумме равна энергии фотона накачки. В силу законов сохранения фотоны оказываются коррелированы, или запутаны, однако главная проблема такого способа запутывания заключается в низкой эффективности и необходимости фильтровать фотоны на выходе, чтобы получить пары с необходимыми свойствами.

Станислава Страупе и его коллеги предложили новый метод создания пространственного перепутывания, который более эффективен, чем прочие. По словам Егора Ковлакова, в своих экспериментах они получают пучки фотонов, которые оказываются коррелированы по так называемой пространственной форме. Ключевое отличие нового подхода заключается в том, что форма и тип пучка накачки подбираются так, чтобы оптимизировать эффективность испускания запутанных фотонов, избавляя экспериментаторов от необходимости фильтровать выходящее из нелинейного кристалла излучение. Полностью результаты исследователей опубликованы в Physical Review Letters .

Метод можно использовать не только в квантовой криптографии, хотя на данный момент это наиболее развитая область применения фотонной запутанности. «В отличии от классических систем связи, где неважно, какой именно алфавит используется для кодирования сообщения и достаточно использовать бинарный код (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 системы квантовой связи, основанные в том числе и на кодировании информации в пространственной форме фотонов, интересны как физикам, так и индустрии», – отмечает Станислав Страупе.

Возможно, новый способ запутывать фотонов позволит создать оптический канал со спутником на орбите, куда нельзя протянуть оптическое волокно.