В основе эксперимента лежит сжатый свет, который позволяет контролировать свойства фотонов с высокой точностью.
Исследователи из Университета Аризоны впервые в истории смогли зафиксировать квантовую неопределенность в реальном времени, используя сверхбыстрые импульсы сжатого света. Этот прорыв почти через столетие после формулировки принципа неопределенности Вернером Гейзенбергом превращает знаменитую концепцию из теоретической модели в наблюдаемую реальность. Результаты исследования были опубликованы в журнале Light: Science & Applications.
В основе эксперимента лежит сжатый свет — особый вид квантового света, где два связанных свойства фотонов, аналогичных положению и интенсивности, нельзя измерить одновременно с идеальной точностью.
«Обычный свет похож на круглый воздушный шар с равномерно распределенной неопределенностью между измерениями, — объясняет Мохаммед Хассан, доцент кафедры физики и оптических наук. — Сжатый свет растягивается в овал: одно свойство становится тише и точнее, другое — более шумным».
Как ученым это удалось
Применение сжатого света уже используется в детекторах гравитационных волн для борьбы с фоновым шумом. Но до сих пор лазеры работали на миллисекундных импульсах. Хассан и его коллеги поставили цель создать сжатый свет с ультракороткими импульсами, измеряемыми в фемтосекундах — одной квадриллионной доли секунды.
«Это первый реальный шаг, объединяющий квантовую оптику и сверхбыструю науку, — говорит Хассан. — Основная трудность была в согласовании фаз лазеров разных цветов, обычно требующем сложной настройки. Мы показали, что наша технология способна решать эту задачу».
Команда применила метод четырехволнового смешения, когда различные источники света взаимодействуют и складываются. Лазерный пучок разделили на три идентичных луча и сфокусировали их в плавленом кварце, получив сверхбыстрый сжатый свет. Вместо привычного уменьшения фазы фотона группа Хассана сжала интенсивность, а управление сжатием осуществлялось в реальном времени — небольшое изменение угла кремния задерживало один фотон относительно других.
«Наша демонстрация сверхбыстрого сжатого света и первое измерение и управление квантовой неопределенностью в реальном времени приближает реальность для сверхбыстрой квантовой оптики и не только», — отмечает Хассан
Защита квантовой связи и новые возможности
Команда уже применяет этот метод для квантовой безопасности. Сверхбыстрые и сжатые импульсы ранее использовались отдельно для передачи данных, но их комбинация повышает скорость и безопасность.
«Если кто-то попытается перехватить данные, сеть немедленно обнаружит вмешательство, — поясняет Хассан. — Но злоумышленник не только нарушает квантовое состояние, ему также нужно знать ключ и точную амплитуду импульса. Любые расшифрованные данные будут неточными».
Помимо связи, сверхбыстрый квантовый свет открывает перспективы для сенсорики, химии и биологии. Он позволит создавать более точные диагностические системы, новые методы разработки лекарств и сверхчувствительные детекторы для мониторинга окружающей среды.