Визуализация квантовой запутанности в реальном времени с помощью двухфотонной голографии
Исследователи разработали новую методику наблюдения квантовой запутанности фотонов в реальном времени, основанную на передовой технологии камер. Этот быстрый и эффективный подход к восстановлению полного квантового состояния запутанных частиц позволяет по-новому взглянуть на квантовые состояния. Он может дать новые ключевые идеи для совершенствования систем квантовой визуализации и метрологии.
Несмотря на достижения и прорывы в квантовой физике, квантовая запутанность по-прежнему остается в центре дискуссий. Это неинтуитивное явление, при котором две частицы оказываются связанными независимо от расстояния между ними, находится в центре многих исследований.
Недавно исследователи из Университета Оттавы в сотрудничестве с Данило Зиа и Фабио Скьяррино из римского университета Сапиенца продемонстрировали новую методику, позволяющую в реальном времени визуализировать это тонкое взаимодействие между фотонами — элементарными частицами, составляющими свет. Их работа опубликована в журнале Nature Photonics.
Этот прорыв, объединяющий голографические методы с квантовой механикой, обещает открыть путь к новым приложениям в области визуализации и метрологии.
Волновые функции, которые трудно уловить
Волновая функция — центральный принцип квантовой механики — дает глобальное представление о квантовом состоянии частицы. Она позволяет ученым предсказывать вероятные результаты различных измерений квантовой сущности, такие как ее положение, скорость и т.д. Такая возможность предсказания неоценима, особенно в быстро развивающейся области квантовых технологий, где знание квантового состояния, которое генерируется или вводится в квантовый компьютер, позволяет протестировать сам компьютер.
Знание волновой функции такой квантовой системы представляет собой сложную задачу, известную также как квантовая томография состояния. При стандартных подходах (основанных на так называемых проективных операциях) для полной томографии требуется большое число измерений, которое быстро растет с увеличением сложности системы (размерности). Измерение высокоразмерного квантового состояния двух запутанных фотонов может занять несколько часов или даже дней.
Бифотонная голография — инновационное решение
Столкнувшись со сложностью измерений, исследователи обратились к интерферометрическому методу, основанному на взаимодействии волн. Эта методика, вдохновленная цифровой голографией, позволяет создавать трехмерные изображения объектов на основе излучаемого ими света. Авторы применили ее к случаю двух запутанных фотонов.
Реконструкция двухфотонного состояния заключается в наложении его на известное квантовое состояние и последующем анализе пространственного распределения позиций, в которых два фотона приходят одновременно. Изображение одновременного прихода двух фотонов известно как изображение совпадений. Сравнивая эти два состояния, можно извлечь информацию о неизвестном состоянии.
Для эффективного выполнения этой съемки исследователи использовали камеры с временной меткой. Они регистрируют события с разрешением порядка наносекунды на каждом пикселе. Комбинируя эти методы и средства, исследователи смогли визуализировать «танец» запутанных фотонов в реальном времени, сообщается в пресс-релизе.
Практические применения и последствия
Бифотонная голография становится инновационным предложением в области квантовой визуализации. Вместо того чтобы просто получать традиционные изображения, эта техника направлена на реконструкцию фазовых объектов, т.е. объектов, изменяющих фазу света без обязательного его поглощения или рассеяния.
Применение бифотонной голографии не ограничивается теоретическими рамками. Она была проверена на практике на пучках накачки — источниках света, используемых для стимулирования оптических процессов. Эти пучки были ориентированы в различных конфигурациях распространения света.
Полученные результаты позволили выявить глубокие физические явления, в частности, сохранение орбитального углового момента. Этот момент является мерой количества оборотов световой волны вокруг оси распространения. Кроме того, эти эксперименты продемонстрировали возможность генерации высокоразмерных состояний Белла. Эти состояния представляют собой конфигурации квантовой запутанности, играющие центральную роль в тестах на нелокальность и в основах квантовой механики.
Этот прорыв в визуализации квантовых состояний открывает путь к новым приложениям в квантовой визуализации и метрологии. Возможность точной визуализации и измерения сложных квантовых состояний необходима для будущего развития квантовых технологий.