Фотон дважды зарегистрировали без его разрушения

Физикам удалось дважды зарегистрировать один и тот же фотон
и при этом не разрушить его. В качестве двух детекторов они использовали
оптические резонаторы на атоме рубидия, между которыми фотоны путешествовали по
оптоволокну. Ученые показали, что такое последовательное детектирование фотонов
позволяет увеличить вероятность их регистрации и уменьшить шум. В будущем такой
метод регистрации может упростить и ускорить работу с фотонными кубитами.
Статья опубликована
в журнале Physical Review
Letters.

Обычно для того, чтобы зарегистрировать фотон, его необходимо
поглотить. Это позволяет получить информацию о самом фотоне, но не дает
возможности повторить такое измерение. Сама природа такого метода регистрации
вносит ограничения на его возможности: так нельзя отследить эволюцию состояния
одного и того же фотона во времени. Кроме того, в случае не идеальности
детектора, фотон с определенной вероятностью может быть разрушен даже без его
регистрации, а значит информация о нем будет потеряна.

Такие последствия особо неприятны в случае квантовых
измерений, ведь в них состояние каждого конкретного фотона и его эволюция могут
нести важную информацию. Тут особо полезными представляются концепт квантовых
неразрушающих измерений, при которых сам факт измерения и его результат не
влияет на неопределенности последующего измерения квантовой наблюдаемой при
дальнейшей эволюции системы. На практике такой метод позволяет повторять одни и
те же измерения без изменения их результата и обходить описанные выше проблемы
разрушающих измерений.

Сами по себе квантовые неразрушающие измерения уже нашли
применение в целом ряде областей: от детектирования
гравитационных волн и астрономии до высокоточной метрологии. Такую
методику используют при работе с индивидуальными ионами, сверхпроводящими
кубитами и атомными ансамблями, но с фотонами все оказалось сложнее. Причиной
стала сложность создания детекторов, которые были бы в состоянии
зарегистрировать фотон без его поглощения. Концепты детекторов для однократного
неразрушающего измерения фотонов разработали и реализовали как для микроволновых,
так и для оптических фотонов, однако многократной регистрации одних и тех же
фотонов пока достигнуть не удавалось.

Теперь же Эмануэль Дистант (Emanuele Distante) и его
коллеги из Института квантовой оптики Общества Макса Планка дважды зарегистрировали
оптический фотон без его разрушения. В качестве фотонных детекторов ученые
использовали два оптических резонатора, каждый из которых представлял собой пойманный между маленькими зеркалами атом рубидия. Резонаторы были настроены на частоту
определенного перехода между состояниями атома, а с помощью рамановских лазеров
атом помещался в состоянии суперпозиции своих двух различных уровней. За
состоянием атома рубидия в каждом детекторе следили с помощью отдельных лазеров,
настроенных на частоту оптических резонаторов. Два детектора были соединены
друг с другом оптоволокном длиной 60 метров. Кроме того, в начале схемы находился
источник слабых когерентных фотонных импульсов с длиной волны 780 нанометров, а
в конце — простой детектор одиночных фотонов. Ученые использовали фотонные
импульсы вместо одиночных фотонов для того, чтобы исследовать поведение такой
схемы детектирования в зависимости от среднего числа фотонов в импульсе.

Сама регистрации проходила по следующему принципу. Каждый из
двух детекторов, следующих принципу квантовых неразрушающих измерений, был
устроен так, что при попадании на него пучка фотонов атом рубидия в нем менял
состояние, если число фотонов было нечетным (в том числе — один), и оставался в
начальном состоянии в обратном случае. Фотонный импульс при этом отражался от
детектора и направлялся в следующий детектор, а затем поглощался детектором
одиночных фотонов. В результате ученые могли отслеживать, с какой вероятностью
срабатывал каждый из детекторов, а также изучить суммарную эффективность
регистрации. Оказалось, что максимальная эффективность двух детекторов при
работе по одному составила 81,3 процента и 87.0 процента (отличия обусловлены качеством
настройки каждого детектора), а при совместной работе она увеличилась до 95,1
процента.

Также физики показали, что совместное использование двух
детекторов увеличивает и другой важный показатель регистрации фотонов —
отношение сигнала к шуму. Этот параметр для комбинации двух детекторов оказался
в 61 раз выше, чем для второго детектора, и в 227 раз выше, чем для первого
детектора. Таким образом, квантовые неразрушающие измерения позволили существенно
улучшить эффективность и качество детектирования оптических фотонов. Ученые
отмечают, что уменьшение потерь при движении фотонов по оптоволокну между
детекторами (в исследованной установке — 53 процента) и добавление разрешения
по времени позволят использовать такую схему в качестве источника состояний
Фока. Кроме того, такая система неразрушающих детекторов может быть использована
для работы с фотонными кубитами и тем самым ускорить работу существующих квантовых
алгоритмов.

Как уже было сказано, неразрушающие измерения особо полезны при
работе с кубитами, и эту методику развивают не только для устройств на основе
фотонов: такие измерения уже провели
для кубитов на квантовой точке. А микроволновые фотоны без разрушения предложили регистрировать
с помощью квантового метаматериала.

Никита Козырев

Источник: nplus1.ru

Adblock test .