Сверхбыстрые лазерные импульсы открыли путь к управлению квантовой неопределенностью

Коллектив исследователей впервые в реальном времени осуществил контроль квантовой неопределенности с помощью сверхбыстрых лазерных импульсов. Используя уникальные физические характеристики сжатого света, ученые открывают путь к созданию сверхбыстрых и защищенных систем квантовой связи.

С точки зрения квантовой физики, свет характеризуется двумя неразрывно связанными свойствами: положением и импульсом (или интенсивностью) частиц. Эти две величины никогда не могут быть измерены одновременно с абсолютной точностью, согласно принципу, известному как «квантовая неопределенность» или принцип неопределенности Гейзенберга. Для оценки этой неопределенности физики опираются на произведение двух измерений, которое не может опуститься ниже определенного порога. Обычный свет похож на круглый воздушный шар, где неопределенность равномерно распределена между его измерениями. Если же шар принимает овальную форму, то одно из измерений становится определить проще, чем другое, поскольку воздух распределяется более очевидным образом с каждой стороны. Этот же принцип применим к сжатому свету, или квантовому свету. Сжатый свет растянут в овал, где одно свойство становится более «тихим» и точным, а другое — более «шумным».

Такой сжатый свет, например, используется детекторами гравитационных волн, такими как Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), для снижения шума и повышения точности обнаружения. До сих пор эти применения основывались на лазерных импульсах длительностью в несколько миллисекунд. В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Light: Science & Applications, профессор Мохаммед Хассан и его коллеги изучили возможность генерации сжатого света с помощью сверхбыстрых импульсов, измеряемых в фемтосекундах — одной квадриллионной доле секунды. Создание квантового света с помощью сверхбыстрых лазерных импульсов стало бы революционным прорывом, первой настоящей конвергенцией квантовой оптики и сверхбыстрой науки.

Главной проблемой создания сжатого света с фемтосекундными импульсами была необходимость синхронизации фаз между лазерами разных цветов, задача, которая обычно требует сложных настроек и специализированного оборудования. Чтобы обойти это препятствие, команда разработала технику, основанную на процессе так называемого «вырожденного четырёхволнового смешения». Это подразумевает взаимодействие нескольких источников света друг с другом. В частности, исследователи разделили лазерный луч на три идентичных, а затем сфокусировали их на пластине из плавленого кварца. Этот процесс позволил генерировать сверхбыстрой квантовый свет.

Предыдущие подходы к генерации сжатого света были направлены на уменьшение квантовой неопределенности в фазе фотона — то есть его положения в волне относительно её длины волны. Хассан и его команда создали сжатый свет, уменьшив неопределенность в интенсивности фотона. Им удалось контролировать квантовую неопределенность, измеряя вариации между интенсивностью и уменьшением фазовых флуктуаций, регулируя положение пластины из плавленого кварца относительно разделенного луча. Когда пластина расположена перпендикулярно световым импульсам, фотоны прибывают одновременно. Если угол падения слегка изменен, один из фотонов прибывает с небольшим опережением, что позволяет настроить степень сжатия света.

Это первая в мире демонстрация сверхбыстрого сжатого света, а также первое измерение и первый контроль квантовой неопределенности в реальном времени. Комбинируя сверхбыстрые лазеры с квантовой оптикой, исследователи открывают путь к новой области — сверхбыстрой квантовой оптике.

Для оценки своего метода эксперты протестировали его в области безопасной связи. Если сверхбыстрые и сжатые световые импульсы до сих пор использовались отдельно для передачи двоичных данных, их комбинация улучшит как скорость, так и безопасность. В сетях квантовой связи любая попытка перехвата немедленно обнаруживается. Теоретически, злоумышленник мог бы получить данные с помощью ключа декодирования. Однако с техникой, разработанной Хассаном и его коллегами, шпион не только нарушил бы квантовое состояние, но и должен был бы знать ключ и точную амплитуду импульса. Его вмешательство повлияло бы на сжатие амплитуды, а это означает, что он не сможет определить правильную неопределенность, сделав любые декодированные данные неточными.

Помимо безопасной связи, фемтосекундный квантовый свет также может быть использован для улучшения квантового зондирования, технологий медицинской диагностики, поиска новых фармацевтических соединений и мониторинга окружающей среды.