Беглый взгляд на макроскопическое квантовое состояние

Недавно исследователи во главе с профессором Морганом Митчеллом впервые обнаружили сцепленность отдельных фотонных пар в луче сжатого света.

Результаты опубликованы в издании Physical Review Letters.

Квантовая сцепленность связана с микроскопическим миром, но имеет также удивительные макроскопические эффекты, например, сжатие света или сверхпроводимость, физическое явление, которое позволяет высокоскоростным поездам левитировать.

Сжатый свет физически не сжимается, но управляется так, что одно из его свойств очень хорошо определено, например, его поляризация. По сравнению с обычным светом лазерный свет, состоящий из отдельных фотонов, обладает чрезвычайно малой, но не равной нулю неопределенностью поляризации. Эта неопределенность или квантовый шум прямо связана с существованием фотонов, наименьших энергетических квант света. Сегодня сжатый свет имеет неопределенность, которая значительно ниже этого уровня. Поэтому в оптических коммуникациях сжатый свет способен помочь в передаче значительно более слабых сигналов с одинаковым отношением сигнала к шуму и одинаковой мощностью света. Также он может использоваться для распределения секретных ключей к двум удаленным сторонам посредством квантовой криптографии.

Хотя долгое время считалось, что множество макроскопических явлений вызвано квантовой сцепленностью, до сих пор эта связь предлагалась лишь теоретически. С другой стороны, современные компьютерные симуляции сцепленных частиц не могли помочь различить любые новые свойства этой связи, поскольку требуемые память и процессорное время растут по экспоненте с количеством сцепленных частиц, ограничивая исследования несколькими частицами. Несмотря на эти проблемы, эксперименты спинового сжатия позволяют наблюдать множество сцепленных атомов, однако эти потребности являются косвенными, поскольку измеряют макроскопические свойства и используют теорию для выведения сцепленности.

«Меня все время поражает квантовая механика», заявил профессор Митчелл. „Когда появились теоретические предсказания, согласно которым должно существовать море сцепленных частиц в сжатом состоянии, я был поражен. Я знал, что для того, чтобы убедиться в этом, нам следует провести эксперимент“.

И вот теперь впервые исследователи сумели напрямую и экспериментально подтвердить эту связь. Для этого они изготовили луч сжатого света, который, как было предсказано, состоит полностью из сцепленных фотонов. Затем ученые выделили небольшое произвольное количество фотонов и измерили их квантовое состояние, в частности совместная поляризация состояний фотонных пар. После преодоления множества экспериментальных преград ученые установили, что сцепленными бывают два фотона, расположенные рядом. Изменив плотность луча, исследователи также наблюдали эффекты моногамной сцепленности, при которой частицы могут быть прочно сцеплены только в том случае, если у них есть немного сцепленных партнеров.

«Эксперимент был очень сложным; нам пришлось совместить сжатие с определением сцепленных фотонов. Было много нерешенных проблем. Мы столкнулись со многими вещами, такими как суперузкие оптические волокна, чтобы эксперимент удался», заявила исследователь Федерика Бедуини.

Результаты исследования демонстрируют многообещающие прорывы для других макроскопических многоэлементных систем и квантовых газов, таких как конденсаты Бозе-Эйнштейна, в будущих исследованиях сверхпроводимости и сверхтекучести, оптических коммуникаций, или в научных исследованиях кубитов для квантовых компьютеров.