Как фотон расщепили на троих

Оптические эксперименты – одни из самых сложных в физике.
Фото предоставлено пресс-службой ФИАН

Уже давно установлено, что фотон с помощью особых кристаллов легко делится надвое, при этом его энергия и количество движения (момента) в полном соответствии с законами сохранения ополовиниваются. В начале далеких 1930-х австрийский физик-теоретик Эрвин Шредингер предложил называть подобные пары фотонов спутанными, или еntangled (oт лат. tangibilis – соприкасаемый), отсюда такие известные слова, как «тангенс» и «танго», «туше» и «тач-скрин». В повседневном английском словом еntangled обычно называют нечто запутанное – например, шерсть или нитки, которые не удосужились намотать на шпульку.

Квантовый еntanglement означает спутанность свойств двух фотонов или электронов (их временных и фазовых характеристик). Именно эффект спутывания фотонов лежит в основе так называемой квантовой телепортации, позволяющей с помощью квантовых компьютеров мгновенно передавать информацию, которую невозможно перехватить. Наиболее распространенным способом получения разделенных и в то же время связанных, строго скорелированных между собой световых частиц является «конверсия» лазерного луча. Это удается сделать с одним из миллиарда фотонов.

Однако теория гласит, что один из миллиарда фотонов из этих связанных пар может быть расщеплен еще раз. То есть существует вероятность получения трехфотонного еntanglement'a. Но из-за технических сложностей сделать это в эксперименте долго никому не удавалось. Пока за дело не взялась совместная команда ученых из университетов Ватерлоо канадской провинции Онтарио и Квинсленда в австралийском г. Брисбен.

Они сконструировали специальный каскад из калий-титановых и литий-ниобиевых кристаллов, при прохождении которого кванты лазерного света генерировали фотонные триплеты. Heсмотря на «троение», происходящее в среднем один раз за пять часов, триплет сохранял квантовые свойства и корреляции исходного фотона. Этот факт крайне важен для практического использования нового метода при построении квантовых компьютеров.

В экспериментальном плане новый метод получения триплетов позволит детальнее разобраться в крайне запутанных корреляциях, с которыми квантовая физика мучается уже почти целый век. Это позволит, в частности, с большей стабильностью и надежностью получать пары сцепленных друг с другом фотонов, которые можно будет использовать в линейных оптических компьютерах.

Экспериментаторы показали, что только два из получаемой тройки фотонов имеют длину волны около полутора тысяч нанометров, наиболее подходящую для эффективной передачи квантов света в оптоволоконных устройствах. Третий же фотон можно будет использовать, например, для одновременного подключения третьего участника переговоров или видеоконференции.

Все знают, что результаты квантовой физики непредсказуемы, поскольку она опирается на сугубо статистические закономерности. А статистика не против внезапных, или спонтанных, «взбрыков» и выбросов. Ученые двух университетов наблюдали, в частности, непредсказуемые конверсии одиночного фотона, приводившие к неожиданному рождению третьего спутанного фотона. В квантовой оптике подобное поведение частиц называется нелинейностью. Экспериментаторам бы расстраиваться из-за такой непредсказуемо возникающей фотонной неожиданности, а они радуются. Дело в том, что нелинейное поведение световых частиц обещает захватывающие перспективы в деле создания оптических квантовых компьютеров, которые потребуют мало энергии и в силу этого практически не греются.

Некогда лорд Кельвин заявил о конце физики. Он, правда, не знал, что является свидетелем конца классической физики, поскольку не мог знать о неклассическом поведении света, способного давать спутанные фотоны. Теперь получены еще более удивительные и уникальные спутанные триплеты, использование которых еще больше расширит границы применения «неклассики» в квантово-оптических технологиях.