Визуализация на квантовото заплитане в реално време с помощта на двуфотонна холография

Изследователи са разработили нова техника за наблюдение на квантовото заплитане на фотони в реално време, базирана на усъвършенствана технология на камерата. Този бърз и ефективен подход за реконструкция на пълното квантово състояние на заплетените частици предоставя нов поглед върху квантовите състояния. Той може да осигури нови ключови прозрения за подобряване на квантовите системи за визуализация и метрология.

Въпреки напредъка и пробивите в квантовата физика, квантовото заплитане остава в центъра на дебатите. Това неинтуитивно явление, при което две частици изглеждат свързани независимо от разстоянието между тях, е в центъра на много изследвания.

Неотдавна учени от Университета в Отава в сътрудничество с Данило Зия и Фабио Скиарино от Университета Сапиенца в Рим демонстрираха нова техника, която позволява визуализиране в реално време на това фино взаимодействие между фотоните – елементарните частици, които изграждат светлината. Научната им работа е публикувана в списание Nature Photonics.

Този пробив, който съчетава холографски техники с квантова механика, обещава да проправи пътя към нови решения в областта на визуализацията и метрологията.

Вълнови функции, които са трудни за улавяне

Вълновата функция, основен принцип на квантовата механика, дава глобална представа за квантовото състояние на дадена частица. Тя дава възможност на учените да прогнозират вероятните резултати от различните измервания на квантовата единица, като например нейното положение, скорост и др. Тази способност за прогнозиране е безценна, особено в бързо развиващата се област на квантовите технологии, където познаването на квантовото състояние, което се генерира или въвежда в квантов компютър, позволява да се тества самият компютър.

Познаването на вълновата функция на такава квантова система е предизвикателна задача, известна още като томография на квантовото състояние. При стандартните подходи (основаващи се на т.нар. проективни операции) пълната томография изисква голям брой измервания, които бързо нарастват с увеличаване сложността на системата (размерността). Измерването на високоизмерното квантово състояние на два заплетени фотона може да отнеме няколко часа или дори дни.

Бифотонната холография е най-иновативното решение

Изправени пред твърде голямата сложност на измерванията, изследователите прибягват до интерферометричен метод, основан на взаимодействието на вълните. Тази техника, вдъхновена от цифровата холография, позволява създаването на триизмерни изображения на обектите въз основа на излъчваната от тях светлина. Авторите я прилагат в случая на два заплетени фотона.

Възстановяването на състоянието на двата фотона се състои в наслагването му върху вече известно квантово състояние, след което се анализира пространственото разпределение на позициите, в които двата фотона пристигат едновременно. Изображението на едновременното пристигане на два фотона е известно като изображение на съвпадение. Чрез сравняване на тези две състояния може да се извлече информация за неизвестното състояние.

Схема на експеримента: лазерът се насочва към интерферометъра. В един от клоновете пространствен модулатор на ултравиолетова светлина (UV-SLM) генерира неизвестно напомпващо поле. На изхода на интерферометъра се получава суперпозицията на това поле с еталонно поле. Тази смес осветява BBO кристала, като създава двойки фотони. След това тези фотони се регистрират от сензори. В експеримента се използва една камера. ( b) Чрез поставяне на камерата на разстояние от кристала е възможно да се реконструира определена функция чрез директно визуализиране. c) Експерименталните корелации се получават чрез прецизно позициониране на сензорите спрямо кристала. d) Примерът показва фазата и амплитудата на двуфотонното състояние, когато за напомпването на кристала се използва определена комбинация от режими.

Изследователите са използвали камери с времеви маркери, за да направят ефективно това изобразяване. Те са записвали явленията с разделителна способност от порядъка на наносекунда за всеки пиксел. Чрез комбинирането на тези методи и инструменти изследователите са успели да визуализират „танца“ на заплетените фотони в реално време, се посочва в съобщението за пресата.

Холографската реконструкция на двуфотонното състояние и реконструираното изображение. а) Изображение на съвпадение, показващо интерференцията между референтното състояние на SPDC и състоянието, създадено от помпения лъч под формата на символа Ин и Ян (вижда се във вмъкването). Мащабът на вмъкването е същият като този на основното изображение. b) Възстановената амплитудно-фазова структура на изображението, получено с неизвестен напомпващ лъч.

Практически приложения и последици

Бифотонната холография се очертава като иновативно решение в областта на квантовото изобразяване. Вместо просто да получава традиционни изображения, тази техника има за цел да реконструира фазовите обекти, т.е. обектите, които променят фазата на светлината, без непременно да я поглъщат или разсейват.

Прилагането на бифотонната холография не се ограничава само до една теоретична рамка. То е тествано на практика върху напомпващи лъчи – източници на светлина, използвани за стимулиране на оптичните процеси. Тези лъчи са били излъчвани в различни конфигурации на разпространение на светлината.

Резултатите разкриха дълбоки физични явления, по-специално запазването на орбиталния ъглов импулс. Този импулс е мярка за броя на завъртанията на светлинната вълна около оста на разпространение. Освен това тези експерименти показаха възможността за генериране на високоизмерни състояния на Бел. Тези състояния са конфигурации на квантово заплитане, които играят централна роля в тестовете за нелокалност и са в основите на квантовата механика.

Този пробив във визуализацията на квантовите състояния открива пътя към нови приложения в квантовата визуализация и метрологията. Способността за точно визуализиране и измерване на сложни квантови състояния е от съществено значение за бъдещото развитие на квантовите технологии.