Запутанные фотоны визуализируются в реальном времени с помощью инновационного подхода

Квантовая механика благодаря своим особым свойствам может превзойти классические приложения. Но те же самые выгодные свойства требуют глубоких знаний о рассматриваемой квантовой системе, что не всегда может быть легко доступно.

Теперь ученые разработали способ визуализировать волновую функцию двух запутанных фотонов в реальном времени. Они называют это бифотонной цифровой голографией.

Волновая функция — важнейшая величина в квантовой механике, с ее помощью ученые могут понять свойства конкретного объекта. Объектами в данном случае являются фотоны, частицы света, которые также запутаны. Запутанность — это особое состояние, в котором два фотона неразрывно связаны.

Измерение одного из свойств фотона приведет к коллапсу волновой функции в определенном состоянии, и из-за запутанности это будет мгновенно ощущаться запутанным партнером, независимо от того, как далеко он может находиться.

Чтобы понять свойства квантового состояния, необходимо множество измерений, и чем сложнее состояние, тем больше измерений необходимо.

Знание волновой функции такой квантовой системы является сложной задачей, ее также называют томографией квантовых состояний или сокращенно квантовой томографией. При стандартных подходах (основанных на так называемых проективных операциях) полная томография требует большого количества измерений, которое быстро увеличивается с увеличением сложности (размерности) системы.

Предыдущие эксперименты, проведенные с использованием этого подхода исследовательской группой, показали, что описание или измерение многомерного квантового состояния двух запутанных фотонов может занять часы или даже дни. Кроме того, качество результата весьма чувствительно к фоновому шуму и зависит от сложности экспериментальной установки.

Подход к проективным измерениям в квантовой томографии можно рассматривать как наблюдение теней многомерного объекта, проецируемых на разные стены с независимых направлений. Все, что может видеть исследователь, — это тени, и по ним он может сделать вывод о форме (состоянии) всего объекта. Например, при КТ (компьютерной томографии) информация о 3D-объекте может быть восстановлена ​​из набора 2D-изображений.

Однако в классической оптике есть другой способ восстановить трехмерный объект. Он называется цифровой голографией и основан на записи одного изображения, называемого интерферограммой, полученного путем интерференции света, рассеянного объектом, с эталонным светом.

Ученые распространили эту концепцию на случай двух фотонов.

Чтобы восстановить бифотонное состояние, необходимо наложить его на предположительно хорошо известное квантовое состояние, а затем проанализировать пространственное распределение положений, в которые одновременно приходят два фотона.

Изображение одновременного прибытия двух фотонов известно как изображение совпадения. Эти фотоны могут исходить из эталонного или неизвестного источника. Квантовая механика утверждает, что источник фотонов не может быть идентифицирован.

В результате получается интерференционная картина, которую можно использовать для восстановления неизвестной волновой функции. Этот эксперимент стал возможен благодаря усовершенствованной камере, которая записывает события с наносекундным разрешением на каждый пиксель.

Алессио Д’Эррико, научный сотрудник Университета Оттавы и один из авторов статьи, подчеркнул огромные преимущества инновационного подхода: «Этот метод работает экспоненциально быстрее, чем предыдущие, требуя всего несколько минут или секунд вместо дней. Важно отметить, что на время обнаружения не влияет сложность системы — это решение давней проблемы масштабируемости в проекционной томографии».

Влияние исследования выходит за рамки только академического сообщества. Оно потенциально может ускорить развитие квантовых технологий, например улучшить характеристики квантовых состояний, квантовую связь и разработать новые методы квантовой визуализации.

Результаты опубликованы в журнале Nature Photonics.