Ученые использовали первую в своем роде технику для визуализации двух запутанных частиц света в реальном времени, благодаря чему они выглядели как потрясающий квантовый символ «инь-ян».

Чтобы сделать точные предсказания о квантовом объекте, физикам необходимо найти его волновую функцию: описание его состояния, существующее в суперпозиции всех возможных физических значений, которые может принимать фотон. Запутанность усложняет поиск волновой функции двух связанных частиц, поскольку любое измерение одной из них также вызывает мгновенное изменение другой. 

Реконструкция голографического изображения двух запутанных фотонов 

(Изображение предоставлено Nature Photonics, Зия и др.)

Новый метод, называемый бифотонной цифровой голографией, использует сверхточную камеру и может быть использован для значительного ускорения будущих квантовых измерений.

Исследователи опубликовали свои выводы 14 августа в журнале Nature Photonics .

Квантовая запутанность — странная связь между двумя удаленными друг от друга частицами, которую Альберт Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии» — позволяет двум световым частицам, или фотонам, становиться неразрывно связанными друг с другом, так что изменение одной из них вызывает изменения в другом, независимо от того, насколько далеко они друг от друга. 

На фото (слева направо): доктор Алессио Д'Эррико, доктор Эбрагим Карими и Назанин Деган.

(Изображение предоставлено: Университет Оттовы)

Физики обычно решают это препятствие с помощью метода, известного как квантовая томография. Беря сложное квантовое состояние и применяя к нему проекцию, они измеряют некоторые свойства, принадлежащие этому состоянию, такие как его поляризация или импульс, изолированно от других. 

Повторяя эти измерения на нескольких копиях квантового состояния, физики могут составить представление об оригинале по более низкоразмерным фрагментам — как при восстановлении формы трехмерного объекта по двумерным теням, которые он отбрасывает на окружающие стены

Этот процесс дает всю нужную информацию, но он также требует множества измерений и выдает множество «запрещенных» состояний, которые не соответствуют законам физики. Это ставит перед учеными сложную задачу кропотливого отсеивания бессмысленных, нефизических состояний — усилия, которые могут занять часы или даже дни, в зависимости от сложности системы.

Чтобы обойти эту проблему, исследователи использовали голографию для кодирования информации из высших измерений в управляемые, более низкоразмерные фрагменты.

Оптические голограммы используют два световых луча для создания трехмерного изображения: один луч попадает на объект и отражается от него, а другой светит на носитель записи. Голограмма формируется из узора интерференции света, или узора, в котором пики и минимумы двух световых волн складываются или нейтрализуют друг друга. Физики использовали аналогичный метод, чтобы получить изображение состояния запутанного фотона через интерференционную картину, которую они создали с другим известным состоянием. Затем, сделав полученное изображение камерой с наносекундной точностью, исследователи разобрали полученную интерференционную картину, показав потрясающее изображение инь-ян двух запутанных фотонов.

«Этот метод работает экспоненциально быстрее, чем предыдущие методы, требуя всего несколько минут или секунд вместо дней», — сказал в своем заявлении соавтор исследования Алессио Д'Эррико , научный сотрудник Университета Оттавы в Канаде .