Квантовый "инь-янь" показывает запутанность двух фотонов в реальном времени

Потрясающий эксперимент, в котором свойства запутанных фотонов восстанавливаются по двумерной интерференционной картине, может быть использован для создания более быстрых квантовых компьютеров.

Ученые впервые применили уникальную методику визуализации двух запутанных частиц света в реальном времени, в результате чего они предстали в виде потрясающего квантового символа «инь-янь».
Новый метод, названный бифотонной (двухфотонной) цифровой голографией, использует сверхточную камеру и может быть использован для значительного ускорения будущих квантовых измерений.

Результаты своей работы исследователи опубликовали 14 августа в журнале Nature Photonics.

Квантовая запутанность — странная связь между двумя удалёнными друг от друга частицами, которую Альберт Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии» — позволяет двум частицам света, или фотонам, стать неразрывно связанными друг с другом, так что изменение одной из них вызывает изменение другой, независимо от того, насколько далеко они находятся друг от друга.

Физики обычно преодолевают 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 из срезов меньшего размера — подобно восстановлению формы трёхмерного объекта по двумерным теням, которые он отбрасывает на окружающие стены.

Этот процесс даёт всю необходимую информацию, но он также требует большого количества измерений и, кроме того, выдаёт большое количество «запрещённых» состояний, которые в придачу не соответствуют законам физики.

Это ставит перед учёными обременительную задачу кропотливого отсеивания бессмысленных, нефизических состояний, на что могут уйти часы или даже дни, в зависимости от сложности системы.

Чтобы обойти эту проблему, исследователи использовали голографию для кодирования информации из более высоких измерений в управляемые фрагменты более низкой размерности.

В оптических голограммах для создания трехмерного изображения используются два световых луча: 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, созданную ими с другим известным состоянием.

Затем они захватили полученное изображение с помощью наносекундной камеры. Разбирая полученную интерференционную картину, исследователи обнаружили потрясающее изображение двух запутанных фотонов в стиле «инь-янь».

«Этот метод экспоненциально быстрее, чем предыдущие и требует всего нескольких минут или секунд вместо нескольких дней», — заявил соавтор исследования Алессио Д'Эррико, постдокторант (аспирант) Университета Оттавы в Канаде.