Поль-Антуан Моро (Paul-Antoine Moreau) с коллегами из Университета Глазго разделили пары запутанных фотонов, один направили сквозь жидкий кристалл, который играл роль пространственного модулятора света и изменял фазу фотонов, а другой — сразу на детектор. Камера зафиксировала изображения всех фотонов в момент, когда они претерпевали одни и те же превращения, хотя и были разделены в пространстве. То есть в момент квантовой запутанности.

Схема экспериментальной установки. Запутанные фотоны, генерируемые в кристалле в левом нижнем углу, разделяются на два луча. Первый проходит через фильтры, затем на детектор. Второй луч попадает сразу на детектор. Голубым отмечена фурье-плоскость, а желтым — плоскость изображения.

Paul-Antoine Moreau et al., / Science Advances, 2019

Изображение интерференции пар запутанных фотонов, один из которых проходил через четыре разных фильтра.

Paul-Antoine Moreau et al., / Science Advances, 2019

Сверхчувствительная камера была способна фиксировать единичные фотоны и делать снимки только в тот момент, когда на детекторы попадала пара запутанных фотонов. Помимо четырех отдельных изображений пар, которые проходили через четыре разных фильтра, авторы работы получили одну фотографию со всеми четырьмя вариантами изменения фазы.

Результаты эксперимента подтолкнут развитие технологий получения изображений квантовых явлений, что в свою очередь, приблизит ученых к пониманию этих процессов и их дальнейшему применению.

Хотя запутанность уже используется в квантовых технологиях, изображение этого эффекта ученые получили впервые. Однако увидеть невооруженным глазом квантово-запутанные частицы уже было можно, когда физики предложили схему такого эксперимента. 

Алина Кротова

Квантово запутанная частица влияет на «напарницу» даже из космоса — Наука

Квантовая запутанность — в квантовой физике явление, при котором состояние двух или более объектов (как правило, частиц) взаимозависимо. То есть, если измерить параметр одной из двух запутанных частиц, параметр второй становится известен автоматически, и это происходит даже на расстоянии во много километров между частицами. По этой причине Альберт Эйнштейн называл квантовую запутанность «жутким действием на расстоянии».

Если в эксперименте «запутать» пару фотонов, потом «отправить» один из них в другую страну, а затем измерить спин (характеристику, описывающую условное вращение фотона вокруг своей оси) первого фотона, то можно не сомневаться: спин второго фотона будет противоположен спину первого. Иностранные коллеги-ученые смогут это подтвердить.

В земных условиях ученые изучают «поведение» запутанных фотонов при помощи оптоволокна. Однако проводить достоверные эксперименты можно только на расстоянии приблизительно в 100 км. На большем расстоянии оптоволокно поглощает фотоны и искажает условия эксперимента.

Чтобы преодолеть ограничения оптоволокна, китайским ученым пришлось выйти в открытый космос. Поскольку летящий из космоса фотон большую часть пути преодолевает в космическом вакууме, который не поглощает фотоны, точность «космического» эксперимента на 4—8 порядков выше, чем прямая двунаправленная передача двух фотонов через оптоволоконный кабель.

В городе Цзюцюань китайские исследователи запустили предназначенный для квантовых исследований спутник Micius на высоту приблизительно 500 км. Во время эксперимента установленный на спутнике мощный лазер испускал по 5,9 миллиона запутанных пар фотонов в секунду.

В космосе «запутанные» фотоны разделялись. На земле их «ловили» мощные телескопы Cassegrain, установленные на трех станциях в Делинге, Лицзяне и Наньшане. В серии экспериментов ученые отправляли по одному фотону из спутанной пары на станции в Делинге и Лицзяне, а затем — на станции в Делинге и Наньшане.

Расстояние между орбитальным спутником и удаленными друг от друга наземными станциями на разных этапах эксперимента колебалось от 500 до 2000 км. В результате китайским исследователям удалось экспериментально подтвердить, что квантовая запутанность сохраняется между двумя одиночными фотонами, разделенными расстоянием приблизительно в 1200 км.

Работа китайских ученых ляжет в основу квантовых информационных протоколов, которые используются для разработки «технологий будущего» — квантовой криптографии и квантовой телепортации. Результаты эксперимента помогут усовершенствовать квантовые сети, на основе которых создаются сверхскоростные и «сверхзашифрованные» связи между ведущими банками.

Статья опубликована в журнале Science.

Подробнее о том, что такое квантовая запутанность, смотрите на «Чердаке».

 Евгения Щербина

В США поставлен эксперимент по запутыванию фотонов на дальности до 83 км

Десять дней назад Белый дом объявил о финансировании проектов по развёртыванию в США «квантового» Интернета. В течение следующих пяти лет должны появиться фундаментальные основы технологии и ключевые компоненты. В следующие 20 лет начнётся развёртывание квантовых каналов связи, и невероятное будущее станет реальностью.

Схема коммуникаций для установления квантовой запутанности двух фотонов на дальности 52 мили (83+ км)

В новости за 15 февраля мы уже сообщали о планах развернуть «квантовый» Интернет между всеми 17-ю национальными лабораториями в США. Уточним, речь идёт не только и не столько о защищённой квантовой связи ― о распределении квантовых ключей шифрования, а о передаче данных и о кластерах на основе квантовых компьютеров. Это совсем другое. В данном случае подразумевается передача информации с использованием законов квантовой механики, что ещё называют квантовой телепортацией.

Для осуществления квантовой телепортации ― мгновенной передачи информации на далёкое расстояние со скоростью выше скорости света ― частицы (в эксперименте это фотоны) должны быть запутаны. Это означает, что квантовые состояния двух или большего числа объектов (частиц, атомов или чего-то другого) оказываются взаимозависимыми. В такой связи состояние спина одной частицы всегда оказывается строго противоположным состоянию спина другой удалённой частицы. Также измерение состояния одной из частиц мгновенно разрушает запутанность ― происходит «телепортация» воздействия, что служит основой для передачи информации.

Учёные из национальной лаборатории Аргонн поставили эксперимент по запутыванию пары фотонов в условиях старой оптоволоконной городской кабельной сети. В опыте использовались две закольцованные петли по 26 миль каждая, всего получилась петля длиной 52 мили или свыше 83 км. Этот эксперимент важен был тем, что использовалась кабельная инфраструктура со всеми её недостатками ― температурными, механическими, шумовыми и электромагнитными воздействиями плюс годы эксплуатации.

Опыт показал, что пара фотонов сохраняла запутанность на удалении фактически 83 километров. С группой частиц (кубитов) всё будет сложнее, но факт остаётся фактом. Квантовая запутанность работает в полевых условиях и оставляет пространство для дальнейших экспериментов.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

квантовая запутанность

Запутанность — пожалуй, самое интересное свойство, отличающее квантовый мир от классического. Оно лежит в основе доказательства принципиальной неопределенности событий в квантовом мире, и на нем основаны современные квантовые технологии, такие как квантовая связь, квантовые вычисления и сверхточные квантовые измерительные приборы.

Буквально на днях американские физики изобрели сверхточные атомные часы на базе квантово-запутанных атомов, а группа китайских ученых продемонстрировала оптический квантовый вычислитель, работающий во много раз быстрее самого быстрого классического суперкомпьютера.

Само понятие «запутывание» ввел Эрвин Шредингер в 1935 году — тот самый физик-теоретик, который «мучил» воображаемого кота. Однако в широкое употребление понятие вошло лишь в 1990-е годы, с появлением первых систем квантовой связи и прототипов квантовых компьютеров.

Что же такое квантовая запутанность? Мы побеседовали о ней с Константином Катамадзе, кандидатом физико-математических наук, старшим научным сотрудником лаборатории физики квантовых компьютеров ФТИАН РАН и лаборатории квантовых оптических технологий физического факультета МГУ.

— Константин, можно ли просто и понятно объяснить, что такое квантовая запутанность?

— Давайте для начала поясним, что такое запутанное состояние (или перепутанное, сцепленное, связанное, переплетенное — в русском языке есть много вариантов перевода термина entangle). Начнем с того, что квантовая запутанность — это всегда история о двухчастичной системе — один атом или фотон не может быть перепутанным. Система может быть и многочастичной, но тогда для определения ее запутанности все равно нужно разделить ее на две подсистемы и рассматривать их корреляции.

Чтобы частицы были перепутанными, они должны были когда-то провзаимодействовать. Если они никогда не взаимодействовали, значит, они не перепутаны. Как пример: две частицы образовались в результате распада одной частицы. Но дальше они физически не взаимодействуют, никаких сил между ними нет. Просто их состояние таково, что они проявляют корреляции в разных измерениях, которые нельзя описать с точки зрения классической физики.

— Математически это выражается в каком-то уравнении?

— Квантовые состояния описываются волновой функцией. Соответственно, если у нас есть две системы, то они описываются совместной волновой функцией Ψ (x1, x2), которая зависит от параметров первой системы (x1) и второй системы (x2). И если эту совместную волновую функцию нельзя представить в виде произведения волновых функций ее подсистем, то такое состояние называется запутанным. Физически это означает, что параметры этих систем связаны друг с другом. И если я измеряю параметр одной системы, то я сразу получаю информацию о параметре другой системы.

Важно отличать перепутанные состояния от состояний, проявляющих классические корреляции. Приведу простой пример классических корреляций. У нас есть пьяный стрелок с двуствольным ружьем. Он случайным образом палит во все стороны. И понятно, что каждая пуля — независимо от того, из какого дула она вышла, — может попасть в любую сторону. Но поскольку стрелок одновременно выпускает две пули, то куда пошла одна пуля, туда же примерно пойдет и другая. Эти пули друг с другом более-менее связаны, и если я измерю координаты одной, то примерно смогу понять, куда попала другая.

Еще пример классической корреляции. У меня есть пара сапог из одной коробки. Я случайным образом кладу один в одну коробку, другой — в другую. Один отправляется коллеге на Марс, другой — на Венеру. Они получают их, открывают коробки и видят: «Ага, у меня сапог левый, значит, у него правый». И наоборот: «Ага, у меня правый, значит, у него левый!» То есть, измерив состояние сапога в своей коробке, они могут понять состояние сапога у коллеги на другой планете.

— Понятно. А что же такое неклассические корреляции, которые проявляются при перепутанности?

— Представьте, что мы с сапогами можем проводить некий другой тип измерения, который одинаково — что для правого, что для левого — давал бы с равной вероятностью разные результаты. Например, я могу брать сапог, подбрасывать и смотреть, куда он упадет: направо или налево — так раньше гадали. И вот мои экспериментаторы на Марсе и Венере так же сапоги подбрасывают, и если их сапоги падают в одну и ту же сторону, то получается, что результаты их измерений связаны независимо от того, какой тип измерений они проводят. Вот такие неклассические корреляции и называются запутанностью.

— Зачем вся эта запутанность вообще была нужна и что она порождает?

— Начнем с фундаментальной истории, которая называется «проверка нарушений неравенства Белла». Что это такое? Существует глубокий философский вопрос о том, предсказуем наш мир или нет, принцип детерминизма. Можно ли определить, как все дальше будет развиваться, или это невозможно и есть принципиальная неопределенность? Долгое время разные ученые и философы считали, что мир предсказуем. Грубо говоря, еще в школе нас учили: если мы кинем шар под углом к горизонту с такой-то скоростью, траекторию можно посчитать. А когда человечество столкнулось с квантовой физикой, выяснилось, что квантовая теория не дает ответа на вопрос, как будет вести себя результат измерения в каждом конкретном эксперименте.

Допустим, фотон летит на светоделитель (полупрозрачную пластинку). С вероятностью 50% он отразится, с вероятностью 50% пройдет. Но квантовая физика не дает ответа на вопрос, как он поведет себя в каждом конкретном эксперименте. И многие отцы-основатели квантовой физики были с этим не согласны, считали, что это какой-то косяк этой теории. В частности, Эйнштейн считал, что это неполнота теории, что эта теория плохая и скоро придумают «нормальную» теорию, которая будет все хорошо описывать. То, что теория не может ответить, что будет в каждом конкретном случае, — это бред какой-то, так быть не может! У Эйнштейна была большая полемическая переписка с Нильсом Бором. Он писал: «Бог не играет в кости», на что Бор отвечал: «Не указывайте Богу, что ему делать».

И этот вопрос глубоко философский, на самом деле. Оказывается, его можно решить, как раз проводя эксперименты над перепутанными состояниями. И такой эксперимент называется «проверка нарушений неравенства Белла». Этот эксперимент показывает, что мир не детерминирован. Впервые такой эксперимент был проведен в 1972 году, но с тех пор разные ученые продолжают спорить о его результатах, искать возможные дыры в методике его проведения, и последний масштабный эксперимент такого рода, в котором вроде бы все известные дыры были закрыты, был проведен в 2015 году.

— Как практически можно применять квантовую запутанность?

— Если говорить про прикладные применения запутанности, то это квантовая метрология, квантовая связь и квантовые вычисления. В разных метрологических приложениях использование перепутанных частиц позволяет точнее измерять время, расстояние, электрические и гравитационные поля и пр.

Перепутанность является ресурсом в квантовых вычислениях. Дело в том, что если у нас есть многочастичная (например, многофотонная) система, то в общем случае состояние такой системы будет перепутано. Оказывается, что для описания такого состояния нужно очень много информации. Если я увеличиваю число квантовых битов, у меня количество коэффициентов будет расти как 2n. То есть это очень быстрый экспоненциальный рост. (Сейчас в связи с ковидной пандемией мы все усвоили, что такое экспоненциальный рост, когда количество зараженных раз в две-три недели удваивалось.) Таким образом, если у меня будет хотя бы 50–60 квантовых битов, то мне никакого компьютера не хватит, чтобы записать туда их состояние.

Если я не могу рассчитать квантовую систему, значит, я могу делать с этой системой что-то, что не может обычный компьютер. Это лежит в основе квантового вычисления. Сейчас разрабатываются разные квантовые вычислители — пока у них довольно ограниченное число квантовых бит, несколько десятков, но, когда их будет несколько сотен или тысяч, тогда уже это будут системы, на которых можно будет решать определенный круг важных задач.

Буквально две недели назад группа китайских ученых продемонстрировала квантовый симулятор, у которого был стоканальный интерферометр, и там на входе были такие хитрые сжатые состояния света (состояния, которые содержат только четное число фотонов). Ученые измеряли число фотонов на его выходах и показали, что получить аналогичные результаты с помощью обычного компьютера невозможно. Даже у суперкомпьютера это займет десятки и сотни лет. Это то, что называется квантовым превосходством.

Впервые аналогичный эксперимент, демонстрирующий квантовое превосходство, провела компания Google, но они использовали не фотоны, а сверхпроводящие кубиты.

Тут, конечно, нужно понимать, что пока такой квантовый симулятор решает лишь одну задачу — симулирует сам себя. Но это первый шаг к квантовым симуляторам, которые смогут решать задачи квантовой химии, логистики и другие полезные задачи.

— Еще всех, конечно же, интересует криптография — передача информации без возможности ее перехватить. Расскажите о квантовой связи: как она работает?

— Суть квантовой связи состоит в том, что, если мы кодируем информацию квантовыми системами и если кто-то хотел бы ее по дороге послушать и считать, он проведет измерения над этой квантовой системой и неизбежно ее возмутит, изменит ее состояние, и таким образом это прослушивание будет вскрыто.

— Как именно происходит квантовое распределение ключа? Один фотон шифрует сообщение при передаче, а с помощью другого происходит дешифрация на приемнике?

— Смысл процедуры в том, чтобы у Алисы и Боба (так традиционно называют пользователей криптографических систем) была одинаковая последовательность нулей и единиц — ключ. Имея такой ключ, Алиса может зашифровать информацию, передать ее Бобу по открытому информационному каналу, а Боб, имея такой же ключ, сможет ее расшифровать. Доказано, что если длина ключа равна длине сообщения, то расшифровать информацию без ключа невозможно.

Квантовое распределение ключа — это процедура, в результате которой Алиса и Боб получают эту самую последовательность нулей и единиц, которой точно никто другой не обладает. Один из способов ее получить — это проводить измерения над перепутанными фотонами. Тогда результаты измерений фактически и будут представлять собой эту последовательность. Чтобы убедиться, что процедура распределения ключа происходила правильно, что никто по дороге ничего не подслушивал, Алиса и Боб часть ключа сверяют по открытому каналу и смотрят на процент ошибок. Если ошибок нет, значит, никто ничего не подслушивал, и оставшуюся часть ключа можно использовать для кодирования полезной информации.

К сожалению, пока что системы квантового распределения ключа ограничены по дальности, поскольку квантовые состояния нельзя усилить. Есть идея «квантовых повторителей», но технически они пока что не реализованы.

— Были ли примеры удачной квантовой связи на расстоянии?

— Самый масштабный эксперимент такого рода был поставлен несколько лет назад китайцами. Они со спутника распределяли пары перепутанных фотонов: один фотон летел в один город, другой — в другой город. Расстояние между городами было более 1000 км. В этих двух городах проводили измерения над этими фотонами, и результаты были коррелированы, их можно было использовать дальше для кодирования информации и передачи секретных сообщений. Но это, конечно, демонстрационный эксперимент. А коммерчески доступные системы квантовой криптографии на сегодня ограничены дальностью около 100 км.

— В научно-популярных роликах нередко говорят о взаимовлиянии одной частицы на другую из запутанной пары. Может ли быть такое, что мы, воздействуя на один фотон, на дальнем расстоянии воздействуем и на другой, если они перепутаны?

— Это распространенное заблуждение. Никакого дальнодействия между перепутанными частицами нет, и никакого взаимодействия — тоже.

Есть такое понятие «квантовая нелокальность». Термин может ввести людей в заблуждение. Обычно нелокальность понимается так: когда я что-то делаю в одной точке, то моментально что-то меняется в другой точке. Вспомним пример с сапогами: я открыл сапог на Венере и узнал, какой сапог на Марсе. До моего измерения состояние сапога на Марсе не было определено, а после я точно знаю, что он правый. Это является моментальным нелокальным изменением его состояния? Конечно, нет! Измерение сапога на Венере никак не повлияло на результат измерения сапога на Марсе — просто результаты этих измерений будут противоположны друг другу. Даже если у меня есть перепутанные частицы, я не могу сделать что-то в точке А, что приведет к каким-то изменениям в точке B. То есть я не могу передавать информацию быстрее скорости света, как многие думают. Я не меняю состояние системы, но результаты моих измерений коррелированы с результатами измерений в другой точке.

С другой стороны, такая квантовая нелокальность существует «на бумаге». Дело в том, что измерение, проводимое над квантовой системой, изменяет ее квантовое состояние, ее волновую функцию. И если две системы описываются общей волновой функцией, то измерение, проведенное над одной из них, меняет общую волновую функцию и таким образом меняет и волновую функцию второй системы. Но, как говорил известный ученый Ашер Перес, квантовые явления происходят не в пространстве волновых функций, а в лаборатории, и вот в лаборатории никакой нелокальности не наблюдается.

— А что такое квантовая телепортация? Сам термин звучит интригующе — в духе научной фантастики.

— Как мы говорили, в квантовой физике ключевую роль играет неопределенность. Я не могу заранее предсказать, как поведет себя квантовый объект при том или ином измерении. Поэтому, чтобы точно мое квантовое состояние померить, мне нужно взять много-много копий одного и того же состояния, провести над ними много разных измерений, и тогда я могу определить вероятность, с которой они в разных случаях дают те или иные результаты измерений. Но за один раз я квантовое состояние померить не могу.

А теперь представьте, что у меня есть задача телепортировать какой-то объект из точки А в точку В. Если это классический объект (например, я хочу телепортировать стул), я его измеряю, смотрю, из чего он состоит, строю чертежи, пересылаю в точку В, там находят такой же материал и по моему чертежу делают такой же стул. Элементарно! А если стул квантовый, то возникает проблема: я не могу свой квантовый стул измерить. А я хочу, чтобы в точке В появился стул ровно такой же. И на этот счет есть специальная процедура квантовой телепортации, которая позволяет мне перенести состояние одной системы на состояние другой системы.

Допустим, у меня есть два атома. Один находится в ловушке в точке А, второй — в точке В. Я хочу состояние атома в точке А скопировать и перенести на состояние атома в точке В. Это я могу сделать. Для этого можно использовать запутанные фотоны: когда я над своим атомом и фотоном произвожу совместное измерение, о результатах этого измерения сообщаю своему коллеге, и он проводит определенные манипуляции со своим фотоном и атомом. И в результате он получает, что его атом в таком же состоянии, в котором был атом у меня до того, как я провел свои измерения. При этом мой атом вследствие моих манипуляций уже перешел в другое состояние. Это квантовая телепортация.

«Квантовая физика дает надежду на то, что судьбы нет»

Все переплетено, но не предопределено

Нобелевскую премию по физике получил выдающийся автор безумных идей

Приложения: Последние новости России и мира – Коммерсантъ Иннопром (138990)

ОАО РЖД запустило в пилотную эксплуатацию первую линию квантовой связи между Москвой и Петербургом, которая гарантирует абонентам наивысший уровень киберзащищенности.

8 июня Россия торжественно вступила в эпоху квантовых коммуникаций: между Москвой и Санкт-Петербургом состоялся первый в истории телемост с использованием нового типа защищенной связи, основанного на фундаментальных явлениях физики элементарных частиц. Участниками тестовой видеоконференции стали вице-премьер РФ Дмитрий Чернышенко, губернатор Санкт-Петербурга Александр Беглов и генеральный директор ОАО «Российские железные дороги» (РЖД) Олег Белозеров, компания которого по поручению правительства выступает национальным интегратором всех усилий и компетенций в области квантовых коммуникаций. Пилотный 700-километровый участок будущей разветвленной квантовой сети, построенный ОАО РЖД в сотрудничестве с Санкт-Петербургским университетом информационных технологий, механики и оптики, российскими компаниями «Специальный технологический центр», «СМАРТС-Кванттелеком» и «Амикон», стал вторым по протяженности в мире после китайской линии Шанхай—Пекин (ее длина — 2 тыс. км, построена в 2017 году).

Принципиальное отличие квантовой линии связи — уникальная киберзащищенность, которая достигается через обмен между абонентами очень мелкими квантовыми импульсами — буквально отдельными фотонами. В основе инновационной технологии шифрования данных лежит один из основополагающих принципов квантовой механики — принцип неопределенности Гейзенберга. Суть его в том, что попытка измерить какой-либо параметр элементарной частицы, например скорость, неизбежно приводит к искажению других ее характеристик, таких как импульс или спин частицы. Криптографический ключ, построенный с использованием этого свойства единичных фотонных импульсов, позволяет мгновенно установить, что кто-то внешний попытался «прочитать» передаваемое сообщение, не говоря уже о возможности его перехвата и дешифровки. Подключиться к такой сети незаметно, а тем более навредить идущему потоку данных злоумышленник попросту не успеет, а значит, пользователи такой связи могут не сомневаться, что вся полученная ими информация пришла из надежного источника и полностью достоверна.

Отправлять единичные фотоны можно по обычным оптоволоконным сетям, где параллельно «путешествуют» триллионы фотонов традиционной связи, но для генерации отдельных квантов энергии, их трансляции, приема и декодирования нужны специальные устройства. На значительных расстояниях (более 100 км) потери отдельных частиц в оптическом канале неизбежны, поэтому фотоны «перебрасываются» на более коротких участках между доверенными узлами квантовой сети. На линии Москва—Санкт-Петербург расположено 18 таких типовых узлов и несколько крупных центров управления данными, которые в дальнейшем призваны стать точками разветвления сети на целую квантовую «паутину» по всей стране. Центральный управляющий узел системы физически расположен в Москве в Главном вычислительном центре ОАО РЖД, еще один — в Смольном в Санкт-Петербурге, третий мощный квантовый объект связи размещен посередине между столицами на базе центра обработки данных «Ростелекома» в г. Удомля Тверской области неподалеку от Калининской атомной электростанции.

Линии связи, защищенные квантовой криптографией, предоставляют совершенно новое качество надежности передаваемых данных, что критически важно для стратегических и оборонных промышленных предприятий, транспортной и энергетической инфраструктуры, органов государственного управления, коммерческих организаций и самих граждан, персональные данные которых все чаще становятся доходной добычей киберпреступников. По прогнозам ОАО РЖД, к 2024 году в России появится более 7 тыс. км квантовых сетей, а также запустится целый рынок квантового оборудования для их создания. В перспективе национальная квантовая сеть должна уметь подключаться к зарубежным (аналогичные разработки ведутся не только в Китае, но и в странах ЕС и США), а российские разработчики смогут занять существенную долю на глобальном рынке квантовых устройств связи и услуг квантовой криптографии.

Дальнейшее развитие квантовых коммуникаций связано с теоретической возможностью не только шифровать, но и непосредственно передавать информацию с помощью квантов. Это можно сделать благодаря еще одному удивительному явлению природы — «квантовой запутанности» элементарных частиц, название которого закрепилось за ним с 1935 года с легкой руки одного из основоположников квантовой механики, австрийского физика-теоретика Эрвина Шредингера, который анализировал теоретический спор других великих ученых: Альберта Эйнштейна, Бориса Подольского и Натана Розена. Проводя свои мысленные эксперименты, они обнаружили невероятное: если пара фотонов становится «квантово запутанной», то их некоторые характеристики становятся взаимозависимыми, хотя они больше не связаны между собой никакими известными взаимодействиями и далеко разнесены друг от друга в пространстве.

Для сферы телекоммуникаций это удивительное свойство элементарных частиц означает, что таким способом можно в теории передавать закодированную информацию абсолютно на любые расстояния без всяких проводов или оптических линий, причем информация будет доходить до получателя не со скоростью, близкой к скорости света, а мгновенно. Более того, в отличие от традиционных компьютерных систем, использующих «биты» в качестве минимальной единицы информации, квантовый компьютер оперирует «кубитами», которые могут нести в себе гораздо больше данных: при увеличении количества используемых кубитов потенциальный объем передаваемой информации растет по экспоненте.

Получать «запутанные» фотоны уже научились: лазером просвечиваются специальные кристаллы, проходя через которые луч разделяется на два или несколько потоков частиц с взаимозависимыми характеристиками. Экспериментальное подтверждение эффекта «квантовой телепортации» было зафиксировано в 1997 году независимыми группами ученых под руководством австрийца Антона Цайлингера и итальянца Франческо де Мартини, а реально перенести кубит информации на расстояние метра удалось лишь в 2006 году американскому Объединенному квантовому институту, созданному на базе Университета Мэриленд и Национального института стандартов и технологий, являющегося подразделением управления по технологиям Министерства торговли США.

Однако технологии хранения и транспортировки запутанных фотонов, хоть сколько-нибудь готовых к промышленному внедрению, еще не созданы нигде в мире, а это значит, что у России еще есть шансы перехватить лидерство в глобальной «квантовой гонке» и получить баснословный приз. С появлением мгновенной связи как минимум будет радикально решена одна из главных проблем освоения человечеством дальнего космоса, поскольку задержка традиционных электромагнитных и радиосигналов, посылаемых с Земли до спутников и обратно, на столь длинных дистанциях составляет минуты, часы и дни.

А пока, по словам Сергея Кулика, научного руководителя Центра квантовых технологий физического факультета МГУ, члена экспертной группы «Космические системы квантовых коммуникаций», в рамках реализации нацпроекта «Цифровая экономика» и «дорожной карты» ее подпрограммы «Квантовые коммуникации» нашей стране предстоит повторить на российском оборудовании результат недавнего китайского эксперимента и передать с низкоорбитального спутника квантовый криптографический ключ на наземный терминал «по линии прямой видимости» сквозь толщи земной атмосферы и космического вакуума.

Андрей Воронин

Китайские ученые испытали прототип квантовой сети с помощью дронов

Китайские ученые испытали прототип квантовой сети с помощью дронов

02:28 / 19 Января, 20212021-01-19T03:28:00+03:00

Alexander Antipov

Запутанные фотоны были посланы между двумя дронами, парящими на расстоянии километра друг от друга, демонстрируя технологию, которая может стать строительным блоком квантового Интернета.

Ученые использовали октокоптеры для отправки фотонов, имеющих квантовую связь, на далекие расстояния. В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, исследователи описывают отправку запутанных частиц от одного дрона к другому и от дрона к земле.

Запутанные фотоны раньше переносились на расстояние более 1 тысячи километров между спутником и наземными станциями, но теперь Чженда Се из Нанкинского университета в Китае и его коллеги показали, что связь может быть установлена на более короткие расстояния с помощью относительно недорогого оборудования.

В новом исследовании учёные использовали два дрона, чтобы передавать фотоны. Генератор, по сути, лазер, на одном беспилотнике создавал пары запутанных частиц, отправляя одну группу частиц на станцию на земле, а вторую — к другому дрону. Этот аппарат передавал полученную частицу на вторую станцию в километре от первой.

Исследователи предполагают, что перемещение дронов выше позволит передавать фотоны на расстояние до 300 км. Эта работа — первая, в которой запутанные частицы отправлялись между двумя движущимися устройствами.

Дроны легко перемещаются, их запуск быстр и дешев, поэтому в будущем планируется создавать целые эскадрильи дронов для обеспечения глобального квантового интернета.

---

Кибервзлом может привести к настоящей войне, ИБ-службы должны больше думать об угрозах жизням людей, не все руководители понимают опасность шпионов-инсайдеров в нашем 25 выпуске Youtube новостей.

---

Поделиться новостью:

Решение – Система для квантово-оптических криптографических коммуникаций

Компания «Специальные Системы. Фотоника» является специализированным поставщиком и интегратором комплектующих элементов и оборудования для разработок и построения систем связи с квантовой генерацией ключа.

Мы всегда рады проконсультировать наших заказчиков и предоставить техническую поддержку. Обращаем Ваше внимание на то, что на базе нашей компании открыт сервисный центр по обслуживанию оборудования, проводятся тренинги и семинары.

Краткое описание технологии

Около декады назад широкое распространение получила новая технология, ставшая известной под названием «квантовая криптография» (КК). Сразу стоит отметить, что это не криптографическая технология. В её основе лежит использование принципов квантовой физики для обмена ключом между стороной, отправляющей сообщение (Алисой) и стороной, принимающей его (Бобом). Этот ключ, в свою очередь, используется для шифрования передаваемых по открытому каналу данных.

Таким образом, технология лучше описывается формулировкой «квантового распределения ключей» или общепринятой аббревиатурой QKD (quantum key distribution). QKD использует одиночные фотоны для обмена отдельными битами ключа. Существует несколько методов передачи информации фотонами и способов установки безопасного ключа. Все эти методы основаны на одном принципе квантовой физики:

• для того, чтобы получить информацию из фотона, необходимо провести измерение его характеристик;
• единственным способом измерить характеристики фотона является использование детектора одиночных фотонов. Как только фотон попадает на детектор, он передаёт энергию и исчезает. То есть измерение уничтожает фотон.
• Согласно  теореме о невозможности клонирования произвольного квантового состояния, нельзя воспроизвести фотон с абсолютно такими же характеристиками, сделать его копию.

В случае попытки перехвата, злоумышленник (в литературе принят термин Ева) не может, измерив характеристики фотона, создать такой же и направить в сторону получателя. Получить аналогичные характеристики можно с определённой вероятностью, то есть некоторое фотоны, излученные со стороны Евы, приведут к схожим измерениям на стороне приёмника, а остальные — нет. С точки зрения Боба, наличие третьей стороны приводит к ошибкам в измерениях.

Необходимо принимать во внимание то, что ошибки в измерениях есть всегда: они, могут быть вызваны, например, темновыми токами в фотоприёмнике. Обычно считается, что если уровень ошибок в ключе менее 11 процентов, то можно гарантировать безопасность линии связи.

Для наглядности ниже приведен принцип работы протокола BB84, названного в честь его создателей, инженеров с фамилиями Беннет и Брассар, и года создания технологии.

Алиса посылает Бобу фотоны, поляризованные в одном из двух, неортогональных друг другу, базисах: прямоугольном или диагональном. Боб получает их и измеряет поляризацию, выбирая базисы для измерения случайным образом, и записывает результаты измерений и базисы. Затем он и Алиса обмениваются информацией об использованных базисах (но не о результатах измерения) по открытому каналу, и данные, полученные в случаях, когда базисы не совпадали, сбрасываются. Остаются только значения, полученные при совпадении базисов. В QKD это называется “просеиванием ключа”.

Протокол BB84

Возможный “шпион”, который подслушивает передачу данных по этой линии связи может перехватить одиночный фотон, измерить его поляризацию и попытаться переслать копию фотона Бобу. Но это приведет к росту числа ошибок в распределяемом квантовом ключе. В результате и Алиса, и Боб поймут, что их канал прослушивает посторонний. Для определения уровня ошибок в ключе после процедуры квантового распределения Алиса и Боб по открытому каналу сравнивают небольшую часть ключа.

Первая подобная система связи была собрана авторами в 1989 году и передавала информацию на расстояние 32.5 см по воздуху. Сегодня дистанция между Алисом и Бобом равна сотням, тысячам километров и в качестве среды передачи информации выступает в большинстве случаев оптическое волокно.

В оптических волокнах использование состояния поляризации затруднительно, так как волокно сильно влияет на него. Больше возможностей представляет использование изменения фазы.

Если кратко: со стороны Алисы и Боба с помощью разветвителей сформированы два модулятора Маха-Цендера. В рабочем плече находится модулятор фазы. При определённом значении напряжения, сдвиг фазы равен 0° и, соответственно «0». При сдвиге на 180° значение — «1». Со стороны Боба ситуация аналогична.

Выбор напряжения (генерирующего определённый фазовый сдвиг) на фазовом модуляторе в осуществляется по аналогии с выбором базиса в первой схеме Беннета и Брассара — случайным образом. Однако предъявляются повышенные требования к точности соответствия длин плеч интерферометра.

Можно отметить два способа компенсации влияния температурного сдвига, позволившие вывести системы связи на основе квантового распределения ключей из лабораторий в «поле»:

• В женевском университете разработчики построили систему, которая не только посылает импульс лазерного излучения от передающей стороны, но и возвращает его обратно от получателя, тем самым компенсируя сдвиг длины;
• Лаборатория Toshiba в университете Кэмбриджа предложила использовать опорный импульс как сигнал обратной связи для устройства, растягивающего волокно в плече интерферометра.
  

Пример схемы системы связи с QKD. Компоненты

Технология квантовой криптографии предъявляет повышенные требования к используемым компонентам и устройствам. Существует несколько основных принципов, используемых разработчиками по всему миру, но количество их вариаций крайне велико.

Ниже приведены две основные принципиальные схемы, которые стали основой для большинства современных разработок: Plug&Play от IdQuantique SA и система с однопроходным слабым импульсом (One Way Weak Pulse System), предложенная компанией Toshiba Research Europe.

Принципиальная схема связи с QKD «Plug&Play»

Принципиальная схема связи с QKD «One Way Weak Pulse System»

Источники излучения
Источники излучения могут быть использованы различные. Мы остановимся на тех, которые представляют наибольший технологический интерес для разработчиков и производителей — импульсные источники фотонов.

Импульсный источник AUREA TPS 1550 TYPE II

На фото выше представлен первый в мире источник запутанных пар фотонов от компании AUREA Technology (Франция). Пары фотонов генерируются с использованием спонтанного параметрического рассеяния (SPDC) в PPLN волноводе (квази-согласование фаз-QPM). Квантовый источник предлагается в настольном корпусе, внутри которого находится кристалл PPLN с TEC и высокопроизводительный лазер накачки. Мощность лазера накачки и температуру кристалла возможно контролировать вручную для регулировки длины волны (согласования фаз) используя USB-интерфейс и специальное ПО. TPS_1550_TYPE_II один из ключевых элементов в квантовой криптографии.

Счётчики одиночных фотонов

Счетчики одиночных фотонов являются важнейшими элементами в квантовой криптографии. При выборе счетчика необходимо уделять особое внимание на эффективность обнаружения (QE), уровень шумов и надежность. Детекторы для счета одиночных фотонов доступны в двух вариантах:

• Настольные/OEM-модули со встроенной необходимой электроникой:
  Модули для счета фотонов от компании AUREA обладают крайне низким уровнем шума (до 1000 cps), высокой квантовой эффективностью (до 30%), частотой внешнего триггера 100 МГц, быстрым разрешением по времени (180 пс) и низкой частотой пульсаций (<0,1%). Оба   (представленных ниже) модуля имеют как синхронный «стробированный», так и асинхронный «автономный» режимы обнаружения.

                 

Компактный OEM-модуль SPD OEM NIR                             Настольный модуль SPD A NIR

• Дискретные счетчики одиночных фотонов:
  Детекторы от компании RMY Electronics доступны с волоконным выводом и без, в корпусах TO-8 и TO-46. Счетчики оптимизированы для задач квантовой криптографии, обладают превосходными характеристикам (DCR<500 Гц, вероятность пост импульса <0.1%) и надежностью.

Электрооптические модуляторы

Один из зарекомендовавших себя мировых лидеров в разработке ЭОМ – iXblue Photonics (Франция), предлагает модуляторы, изготовленные на базе кристаллов ниобата лития. Исследования и отточенные технологии производства позволили сформировать линейку ЭОМ для работы в спектральном диапазоне от 780 до 2200 нм. Также iXblue Photonics предлагает ряд специальных драйверов и контроллеров рабочей точки, позволяющие оптимизировать функционирование этих модуляторов.

Амплитудный ЭОМ iXblue Photonics MXER-LN-10

Амплитудные модуляторы серии MXER специально разработаны с целью применения в схемах с повышенными требованиями к коэффициенту экстинкции и полосе частот. В квантовой криптографии наиболее часто применяются MXER с ER выше 30 дБ.

Фазовые модуляторы серий MPX и MPZ часто используются компаниями, наладившими массовое производство систем связи с квантовой криптографией.

• Модуляторы серии MPZ разработаны для работы с полосой частот от 1 до 40 ГГц.
• Модуляторы серии MPX имеют высокоимпедансный ввод, оптимизированный для частот модуляции ниже 150 МГц

Зачастую при проведении исследований в области квантовой криптографии требуется возможность модулировать оптический сигнал с длиной волны в нижней части ближнего ИК диапазона. Для этих целей используются модуляторы, функционирующие в диапазоне от 780 — 950 (нм), серии: NIR-MPX800, NIR-MPX950.

Контроллеры поляризации

Для контроля поляризации ведущие зарубежные и российские производители выбирают продукцию General Photonics — мирового лидера в производстве модулей и приборов для измерения и контроля состояния поляризации в волоконно-оптических схемах.

Контроллер поляризации MPC

Контроллеры поляризации третьего поколения MPC имеют меньшие габариты и более высокую температурную стабильность, практически не вносят потери в оптический канал и устраняют обратное отражение. Управление может осуществляться либо цифровым, либо аналоговым сигналом, при этом возможно получить любой желаемый результат поляризации, независимо от состояния поляризации на входе.

Линии задержки

Для изменения задержки оптического сигнала предлагается использовать зарекомендовавшие себя линии задержки фирм General Photonics и PHOTONWARES (AGILTRON). Есть различные варианты исполнения: однопроходные, двухпроходные, SSTD, и, так называемые, «растягиватели» волокна (Fiber stretchers).

     

SSTD линия задержки от AGILTRON (слева) и MDL-003

Волоконно-оптические компоненты
Пассивные оптические компоненты являются неотъемлемой частью криптографической системы. Превосходные характеристики и надежность здесь также стоят на первом месте при выборе компонент. Компания DK Photonics предлагает все пассивные компоненты для использования в квантовой криптографии:

.

Оптический делитель/ объединитель от DK Photonics

• Оптические делители/объединители поляризации – волоконно-оптический компонент, которая может объединять два поляризованных световых сигнала в одно выходное волокно или делить световой поток на два поляризованных потока, ортогональных друг другу.
• Оптические разветвители – волоконно-оптический компонент для разделения оптического сигнала на два с разным коэффициентом деления.
• Переменный аттенюатор – волоконно-оптический компонент для внесения определенного уровня затухания в сигнал.
• Зеркало Фарадея – волоконно-оптический компонент, которая позволяет вращать поляризацию на 45^о или 90^о.

Сварка оптического волокна
В квантово-криптографических системах связи часто используется волокно с сохранением поляризации. Мы являемся единственной компанией на российском рынке, предлагающей портативные аппараты для сварки PM волокон, работающие от батареи, что позволяет осуществлять стыковку двулучепреломляющих волокон «в поле».

Подробно процесс сварки оптического волокна на примере специальных оптических волокон с сохранением поляризации приведён в описании решения на нашем сайте.

Сварочный аппарат FItel S185PM

Современные сварочные аппараты позволяют работать в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режимах. Аппараты по умолчанию поставляются с набором алгоритмов сварки наиболее часто применяемых в мире волокон. В случае, если заказчик использует другие волокна, японская компания FITEL (Furukawa Electric) бесплатно разрабатывает оптимальные алгоритмы для необходимых комбинаций.

Измерение характеристик элементов системы связи с QKD
Когда речь идёт о возможность «заглянуть внутрь» компактной схемы с большим количеством элементов, проанализировать поляризационные характеристики, вносимые потери, потери на отражение, необходимо использовать OBR рефлектометр высокого разрешения. Принцип его действия описан в нашей статье. Сканирование в частотном диапазоне с последующим Фурье-преобразованием позволяет выделить событие отражения с пространственным разрешением в 10 мкм и проанализировать его спектральную характеристику.

                   

Оптический рефлектометр обратного рассеяния OBR LUNA 4600 и пример рефлектограммы

LUNA OBR 4600 по праву считается уникальным прибором. На рефлектограмме отчётливо видны события на коннекторах, переключателях, сплиттере и сварных соединениях. Также видны четыре решётки, записанные на отрезке ОВ длинной в полметра. Спектральное разрешение позволяет с лёгкостью получить чёткий спектр каждой из ВБР, в том числе, наблюдая провал, вызванный π-сдвигом, что не могут обеспечить большинство спектроанализаторов на рынке.

В каталоге продукции на нашем сайте представлены следующие компоненты для построения квантово-оптических криптографических систем:

Технические специалисты нашей компании будут рады ответить на любые вопросы по применению компонентов и модулей, а также предоставить коммерческие условия поставки на интересующую Вас продукцию. Вы можете связаться с нами любым удобным способом для получения дополнительной информации.

Как создать квантовую запутанность?

Однажды утром на прошлой неделе я прибыл в университетский городок одновременно с коллегой с исторического факультета, изучающим историю физики. Когда мы шли от парковки к центру кампуса, он задал вопрос, связанный с заголовком этого поста: «Как создать квантовую запутанность?» Он отметил, что читал много научно-популярных статей, в которых рассказывалось о странных аспектах физики, которые случаются, когда у вас есть две запутанные частицы, но они, как правило, слегка пропускают детали того, как вы запутаете их в . первое место.

У нас был хороший разговор об этом, пока мы шли, и я отложил это как тему для сообщения в блоге. Я подумал, что если мой коллега был смущен этим, то, вероятно, и многие другие люди тоже. И хотя я, безусловно, много писал здесь о запутанности (первая страница результатов Google по запросу «орзель форбс запутанность» дает одну, две, три, четыре, пять, шесть, семь, восемь, девять ссылок, и это еще не все ), также верно, что я не вдавался в подробности создания запутанности.Что, оказывается, проще, чем вы думаете, из-за методов поп-физики, подчеркивающих ее странность, и это отличный повод для публикации в блоге.

Однако, прежде чем мы это сделаем, важно установить основные параметры того, что мы подразумеваем под «квантовой запутанностью». Основная идея очень проста: вы имеете две частицы, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, и помещаете их в состояние, в котором их состояния неопределенны, но коррелированы. Если вы измеряете их по отдельности, вы получите случайное распределение ответов «0» и «1», но если вы повторите измерения много раз для многих одинаково подготовленных пар, вы обнаружите, что результирующие списки измерений «0» и «1» идентичны.Состояние одной из двух частиц зависит от состояния другой, и эта корреляция будет сохраняться, даже когда они разделены.

А теперь краткое описание четырех способов взять два объекта и поместить их в такое запутанное квантовое состояние:

Схема третьего эксперимента Аспект по проверке квантовой нелокальности. Запутанные фотоны от источника … [+] отправляются на два быстрых переключателя, которые направляют их на поляризационные детекторы. Переключатели меняют настройки очень быстро, эффективно изменяя настройки детектора для эксперимента, пока фотоны находятся в полете.(Рисунок Чада Орзеля)

1) Запутывание от рождения: В подавляющем большинстве экспериментов по квантовой запутанности на сегодняшний день фотоны используются в качестве запутанных частиц по той простой причине, что два фотона действительно легко запутать. И большинство способов, которыми люди могут запутать фотоны, просто с самого начала вводят вас в запутанное состояние.

Исторический способ сделать это — использовать «каскадный» переход, как это было сделано Аленом Аспектом и его коллегами в классической серии экспериментов еще в начале 1980-х годов и Фридманом и Клаузером несколько раньше.В этих экспериментах они помещают группу атомов кальция на высоковозбужденный энергетический уровень, где электрону запрещено возвращаться в основное состояние, испуская одиночный фотон. Вместо этого они распадаются, испуская двух фотонов, проходя через промежуточное состояние с коротким временем жизни. За излучением одного фотона в течение нескольких наносекунд следует излучение второго, поэтому, если вы видите один фотон, вы знаете, что другой должен быть где-то поблизости. И хотя эти фотоны излучаются в случайных направлениях, когда случается, что они излучаются в противоположных направлениях, тогда сохранение углового требует, чтобы их поляризации были коррелированы друг с другом: то есть они должны быть в запутанном состоянии.

Каскадные источники работают, но они довольно медленные, потому что каждый атом испускает фотоны в случайных направлениях, поэтому получение двух фотонов, отправленных в правильных направлениях, чтобы поразить ваши детекторы, может занять некоторое время. В сфере квантовой запутанности произошла революция в связи с разработкой источников «параметрического понижающего преобразования», в которых используются нелинейные оптические кристаллы для преобразования одиночных фотонов высокой энергии в пары фотонов с половинной начальной энергией. Фиолетовый лазер, освещающий один из этих кристаллов (наиболее часто используемый материал — «бета-борат бария» или «BBO»), будет производить небольшое количество пар фотонов ближнего инфракрасного диапазона.В этом процессе все еще есть некоторая случайность, но для сохранения импульса необходимо, чтобы пары выходили на противоположных сторонах конуса вокруг исходного лазерного луча, что позволяет разместить два детектора точно в нужном месте, чтобы улавливать фотоны. И при правильном расположении кристалла (на самом деле два тонких кристалла, соединенных правильным образом), поляризации двух фотонов будут коррелированы точно так, как вам нужно, чтобы продемонстрировать запутанность.

Эти источники параметрического преобразования с понижением частоты обеспечивают гораздо более высокую скорость счета, позволяя экспериментам достигать действительно смехотворных уровней статистической значимости.Базовая система также достаточно проста для проведения лабораторного эксперимента в бакалавриате; в последние годы у нас было несколько студентов, которые сделали свои старшие диссертации по параметрическому понижающему преобразованию (пока не с запутанностью, но у меня есть несколько летних студентов, которые выстроились в очередь, чтобы поработать над этим). Они также являются ключевыми источниками для экспериментов по квантовой телепортации и многих экспериментов с квантовой информацией. Если вы читаете новость, заголовок которой ссылается на насмешливое описание запутанности Эйнштейном, «жуткое взаимодействие на расстоянии», вероятно, с вероятностью 75% в ней описываются эксперименты, в которых тем или иным образом используется параметрическое понижающее преобразование.

Изображение схемы квантовых вычислений с ионной ловушкой. От группы Монро в JQI: http://iontrap.umd.edu/

2) Запутанность второго поколения. Фотоны отлично подходят для демонстрации запутанности и передачи информации, но мир — это не просто фотоны, и у них есть некоторые существенные недостатки. Главное из них то, что их довольно сложно держать рядом, поскольку по определению они всегда движутся куда-то со скоростью света. Для многих целей было бы лучше запутать частицы материала, потому что за них легче удерживать в течение длительного периода времени.

Один из самых простых способов представить себе это — просто взять пару фотонов, которые образуются в запутанном состоянии, и направить их, скажем, на пару атомов, которые могут поглотить рассматриваемые фотоны. Конечное состояние поглощения фотона будет зависеть от поляризации фотонов, поэтому, поскольку поляризации неопределенны, но коррелированы, вы получите два атома, состояния которых неопределенны, но коррелированы.

На практике это довольно сложно, поскольку запутанные фотоны, которые вы можете легко сгенерировать, с трудом подключаются к атомным состояниям, которые сохраняются долгое время.Однако если вы умны, вы можете найти способы сделать такие вещи и превратить запутанность фотонов в запутанность атомов, которые поглощают эти фотоны.

Аппарат для связывания разделенных ионов с двумя вакуумными системами. (Фото из JQI)

3) Случайное запутывание. Этот метод — хитрый трюк, который выворачивает предыдущий метод наизнанку. То есть он начинается с пары атомов в разных местах, излучающих фотоны.Правильное объединение фотонов может запутать состояния двух фотонов, что приведет к запутыванию исходных атомов.

Я впервые узнал об этом в экспериментах группы Криса Монро в Мэриленде (ссылка на статью в другом моем блоге), где они использовали ионы иттербия, удерживаемые в отдельных ионных ловушках. Ионы были возбуждены до состояния, из которого они могли распадаться одним из двух способов, испуская фотон с одной из двух поляризаций. Они собирают испускаемые фотоны и объединяют их на светоделителе с двумя фотодетекторами, размещенными на двух выходах светоделителя.

В этой конфигурации примерно в 25% случаев, когда два фотона достигают светоделителя, они обнаруживают по одному фотону на каждом выходе. Из квантовой оптики мы знаем, что когда это происходит, два фотона имеют противоположные поляризации, а это означает, что два иона оказались в двух разных состояниях. Но у них нет возможности узнать , какой из ионов испустил , а какой фотон. Таким образом, два иона оказываются запутанными: если вы измеряете отдельные состояния, вы получаете случайные результаты, но если вы сравниваете списки результатов для каждого иона за много повторений, вы обнаруживаете, что они идеально коррелированы.

Это по своей природе вероятностное, и первоначальные эксперименты в 2009 году (-овсе) были очень медленными. Они внесли некоторые усовершенствования в базовую схему, но это все еще не такой удобный источник запутанных пар, как при параметрическом понижающем преобразовании. Однако это исключительно крутой трюк, потому что два иона никогда не находятся близко друг к другу — они находятся в совершенно разных вакуумных камерах в разных частях лазерного стола. Единственное, что объединяется, — это свет, который они излучают, но этого достаточно, чтобы запутать ионы, со всеми вытекающими из этого странными результатами.

Схема блокады Ридберга. Слева: два атома в основном состоянии не влияют друг на друга, и … [+] можно возбуждать лазером (зеленая стрелка). В центре: как только один атом возбужден, он сдвигает уровни энергии другого, блокируя лазерное возбуждение. Справа: запутанное состояние, которое возникает в результате наложения первого атома на суперпозицию с последующей попыткой возбудить второй. (Рисунок Чада Орзеля)

4) Запутывание взаимодействием. Самый крутой момент предыдущего метода — то, что ионы всегда разделены — указывает на последний метод создания запутанности, который просто сводит их вместе и позволяет им взаимодействовать таким образом, чтобы конечные состояния двух частицы зависят друг от друга.В конце концов, в этом заключается суть запутанного состояния.

Есть множество способов сделать это, в основном связанных с различными схемами квантовых вычислений, но проще всего изобразить это с помощью схемы «блокады Ридберга». Идея здесь в том, что если у вас есть два атома в основном состоянии, разделенных небольшим расстоянием, они не влияют друг на друга, но если вы переводите эти атомы в состояние с очень высокой энергией («состояние Ридберга» на жаргоне атомной физики ), они взаимодействуют на более длинных дистанциях и, таким образом, могут сдвигать энергетические уровни друг друга.

Если вы все устроите правильно, возбуждение одного атома до состояния Ридберга сдвинет энергетические уровни другого настолько, что он не сможет быть возбужден одним и тем же лазером. Итак, вы используете лазерный импульс, чтобы поместить один в суперпозицию основного состояния и состояния Ридберга, а затем пытаетесь возбудить второй атом, и в итоге получается суперпозиция, которая идеально антикоррелирована с первым атомом: часть первый атом, находящийся в основном состоянии, соединяется с частью второго атома, находящейся на уровне Ридберга, и наоборот.Другими словами, два атома теперь запутаны.

Это простой пример взаимодействия, которое приводит к неопределенным, но коррелированным конечным состояниям, но оно передает ключевую идею. Каждый раз, когда вы можете объединить две системы таким образом, чтобы конечное состояние одной частицы зависело от входного состояния другой, вы можете создать запутанное состояние, сделав это входное состояние квантовой суперпозицией. Это обязательно приведет к паре частиц, каждая из которых находится в неопределенном состоянии, и любые возможные измерения этих состояний будут идеально коррелированы (или антикоррелированы).Это мощная идея, центральная практически во всех схемах квантовых вычислений.

Здесь стоит отметить, что все эти схемы имеют общую особенность, а именно то, что запутанность создается локальным образом. То есть схемы либо включают запутанные частицы, которые находятся в одном и том же месте в какой-то момент (запутанные фотоны исходят от одного и того же атома или входного фотона, и взаимодействующие атомы обязательно находятся близко друг к другу), либо они взаимодействуют посредством чего-то, проходящего между ними без больше, чем скорость света (спутанная пара фотонов, движущаяся к отдельным атомам, или фотоны от двух ионов, идущие к светоделителю).Это критически важная особенность для сдерживания странности запутанности — вы не можете произвольно запутать две частицы, не имеющие общей истории, что исключает большинство попыток оправдать паранормальные явления с помощью квантовой запутанности.

Эти методы создания запутанности являются очень общими, и есть многочисленные технические детали их реализации в конкретных системах, которые я пропускаю. Тем не менее, они должны помочь донести общие идеи, поэтому в следующий раз, когда вы прочтете научно-популярную статью о квантовой запутанности, вы лучше поймете, откуда она взялась.

источников запутанных фотонных пар | NIST

Главная Публикации Ссылки Сотрудничество Команда Разработки Возможности

Разработка источников запутанных пар фотонов:

Запутанные пары фотонов важны для реализации квантовой связи и квантовых вычислений. Наша основная цель — разработать пары фотонов, которые могут взаимодействовать между летающими фотонными кубитами в оптическом волокне и стационарными атомными кубитами в квантовой памяти.В качестве первого шага мы экспериментально реализовали невырожденный последовательный источник запутанных пар фотонов с временным интервалом [1]. На втором этапе наши усилия сосредоточены на сужении спектральной ширины линии пар фотонов, чтобы они могли эффективно взаимодействовать с атомами в квантовой памяти [2].

Экспериментальная установка, показывающая кристаллический волновод, в котором генерируются пары фотонов.

Невырожденный последовательный источник запутанных пар фотонов с временным интервалом генерируется из волновода с периодической полярностью, титанилфосфата калия, путем параметрического преобразования с понижением частоты (FPDC) с тактовой частотой 1 ГГц.Длины волн сигнала и холостого хода 895 нм и 1310 нм. Фотоны с длиной волны 1310 нм подходят для оптической связи на большие расстояния, а фотоны с длиной волны 895 нм соответствуют первой линии перехода атомов Cs, которая подходит для исследования квантовой памяти. Кремниевый лавинный фотодиод используется для обнаружения фотонов на длине волны 895 нм, а детектор с повышающим преобразованием на основе ниобата лития [3], разработанный в нашей лаборатории, используется для обнаружения фотонов на длине волны 1310 нм. Измеренная скорость потока запутанных фотонных пар составляет 650 Гц, а видимость интерференционной полосы — 79.4% без вычитания шума.

Кривая запутанных пар фотонов

Чтобы уменьшить спектральную ширину линии запутанных пар фотонов, генерируемых в результате спонтанного параметрического преобразования с понижением частоты (SPDC), мы предложили новый подход путем включения структуры брэгговской решетки с промежуточным π-фазовращателем в нелинейно-оптический кристаллический волновод. В сотрудничестве с университетом Мэриленда в BaltimoreCounty мы теоретически изучили ширину линий сигнальных и холостых фотонов от процесса SPDC.Исходя из наших теоретических расчетов, этот подход является многообещающим для генерации сигнала с очень узкой шириной линии (от ~ ГГц до суб-ГГц) и холостых фотонов через SPDC.

Суженная ширина линии с решеткой Брэгга на волноводе

[1] Лицзюнь Ма, Оливер Слэттери, Тиецзюнь Чанг и Сяо Тан, «Невырожденный последовательный интервал времени генерация запутанности с использованием периодически поляризованного волновода КТП ».

Подробнее см .: Optics Express, Vol. 17, выпуск 18, стр. 15799-15807 (2009). PDF: http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?id=185209&CFID=106038750&CFTOKEN=10685436

[2] Ли Янь, Лицзюнь Ма и Сяо Тан, «Узкополосное спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты с помощью брэгговской решетки», ОПТИКА ЭКСПРЕСС, Том. 18, № 6, 5957 (март 2010 г.). http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=oe-18-6-5957

[3] Лицзюнь Ма, Оливер Слэттери и Сяо Тан, «Экспериментальное исследование высокочувствительного инфракрасного спектрометра с волноводной опорой. -конверсионный детектор », Optics Express Vol.17, вып. 16, стр. 14395–14404 (2009). http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=oe-17-16-14395

физиков нашли новый метод генерации квантовых запутанных фотонов

Если создание сверхбезопасного и сверхразумного «квантового Интернета» когда-либо станет возможным, то квантово-запутанные фотоны, вероятно, будут иметь важное значение в его создании — и ученые только что придумали очень полезный новый способ их создания.

Квантовая запутанность — это явление, при котором две частицы (например, фотоны) соединяются вместе, независимо от физического расстояния между ними.Если что-то происходит с одной из частиц, что-то должно случиться и с другой.

Хотя физики до сих пор не до конца понимают, как именно происходит запутывание, это явление открывает возможность дальнодействующих квантовых коммуникаций — квантового Интернета, если хотите, — где сдвиги частиц в одном месте приводят к сдвигам в запутанные частицы на огромном расстоянии.

Это конкретное исследование предполагает использование квантово-запутанных фотонов в качестве квантового распределения ключей (QKD), своего рода низкоуровневого квантового Интернета, где классические данные в форме единиц и нулей получают дополнительный уровень конфиденциальности и безопасности благодаря квантовой физике.

До сих пор запутанные фотоны, используемые для этих методов шифрования, были ограничены ближним инфракрасным светом в диапазоне длин волн от 700 до 1550 нанометров, что делало их уязвимыми для помех от светопоглощающих газов и солнечного излучения.

Другими словами, соединение для передачи данных работает только ночью: это не идеально для того, что предположительно является интернет-инфраструктурой следующего поколения.

Новое исследование показывает, как генерировать и обнаруживать запутанные фотоны в более длинных 2.Длина волны 1 микрометр, защищенная от таких помех. Конечный результат — гораздо более надежный и стабильный канал связи.

«Мы продемонстрировали, что с помощью нашего подхода можно генерировать, манипулировать и обнаруживать запутанные поляризацией пары фотонов», — пишут исследователи в своей опубликованной статье.

«Эта работа обеспечивает новую платформу для квантовой оптики и открывает путь для технологических приложений для квантового зондирования и квантово-защищенной связи на большие расстояния в этом режиме длин волн.»

Для достижения своей цели исследователи использовали нелинейный кристалл из ниобата лития: запутанные пары фотонов были созданы с помощью ультракоротких световых импульсов от лазера, направленного в кристалл.

Квантовый Интернет, если мы сможем понять, как для его создания обещает быть во много раз мощнее, безопаснее и конфиденциальнее, чем все, что мы имеем сегодня. Например, любые попытки взлома мгновенно разорвали бы соответствующее соединение — неплохая подстраховка.

Мы все еще далеко от воплощения этой мечты — в расстоянии, стабильности, практичности — но инновации, подобные описанной здесь, неуклонно приближают нас и превращают квантовые вычисления из гипотезы в реальность.

«Следующим важным шагом будет миниатюризация этой системы путем ее преобразования в фотонные интегрированные устройства, что сделает ее пригодной для массового производства и использования в других прикладных сценариях», — говорит квантовый физик Майкл Кус из Ганноверского университета имени Лейбница. Германия.

Исследование опубликовано в журнале Science Advances .

Ученые только что обнародовали первую фотографию квантовой запутанности

Впервые в мире ученые сделали первую в мире фотографию квантовой запутанности — феномена, столь странного, что физик Альберт Эйнштейн назвал его «жутким действием на расстоянии».

Это изображение было снято физиками из Университета Глазго в Шотландии, и оно настолько захватывающее, что мы не можем перестать смотреть.

Это может показаться не таким уж большим, но просто остановитесь и подумайте об этом на секунду: это размытое серое изображение — первый раз, когда мы видим взаимодействие частиц, которое лежит в основе странной науки квантовой механики и составляет основу квантовых вычислений. .

Квантовая запутанность возникает, когда две частицы становятся неразрывно связанными, и все, что происходит с одной, немедленно влияет на другую, независимо от того, насколько далеко они друг от друга находятся.Отсюда и описание «жуткого действия на расстоянии».

На этой фотографии показано запутывание двух фотонов — двух световых частиц. Они взаимодействуют и — на короткое время — обмениваются физическими состояниями.

Поль-Антуан Моро, первый автор статьи, в которой было представлено изображение, сказал Би-би-си, что изображение было «элегантной демонстрацией фундаментального свойства природы».

Чтобы сделать невероятный снимок, Моро и команда физиков создали систему, которая выстреливала потоки запутанных фотонов на то, что они описали как «нетрадиционные объекты».

Фактически эксперимент включал получение четырех изображений фотонов при четырех различных фазовых переходах. Вы можете увидеть полное изображение ниже:

(Moreau et al., Science Advances , 2019)

То, что вы видите здесь, на самом деле является составной частью нескольких изображений фотонов, проходящих через серию из четырех фазовые переходы.

Физики разделили запутанные фотоны и пропустили один луч через жидкокристаллический материал, известный как β-борат бария, вызвав четыре фазовых перехода.

В то же время они сделали фотографии запутанной пары, которая переживает одинаковые фазовые переходы, даже если она не прошла через жидкий кристалл.

Вы можете видеть схему ниже: запутанный пучок фотонов идет снизу слева, одна половина запутанной пары разделяется налево и проходит через четыре фазовых фильтра. Остальные, идущие прямо, не прошли через фильтры, но претерпели те же изменения фазы.

(Моро и др., Science Advances , 2019)

Камера смогла сделать снимки их одновременно, показывая, что они оба смещались одинаково, несмотря на то, что были разделены. Другими словами, они запутались.

В то время как Эйнштейн прославил квантовую запутанность, покойный физик Джон Стюарт Белл помог определить квантовую запутанность и установил тест, известный как «неравенство Белла». По сути, если вы можете нарушить неравенство Белла, вы можете подтвердить истинную квантовую запутанность.

«Здесь мы сообщаем об эксперименте, демонстрирующем нарушение неравенства Белла в наблюдаемых изображениях», — пишет команда в Science Advances .

«Этот результат одновременно открывает путь к новым схемам квантовой визуализации … и предлагает многообещающие схемы квантовой информации, основанные на пространственных переменных».

Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Квантовая фазочувствительная дифракция и визуализация с использованием запутанных фотонов

Значение

Предлагается метод квантовой дифракции визуализации, при котором один фотон запутанной пары дифрагирует от образца и детектируется в совпадении с его двойником.Сканируя фотон, который не взаимодействовал с веществом, мы показываем, что фазовая информация, запечатленная в состоянии поля, обнаруживается. Мы обсуждаем несколько экспериментальных приложений: ( i ) Получение изображений в реальном пространстве с помощью дифракционных изображений позволяет избежать «фазовой проблемы». ( ii ) Изображение масштабируется как Ip1 / 2 с взаимодействующими фотонами, где Ip — интенсивность источника, по сравнению с Ip при классической дифракции. Это делает возможным получение изображений в слабом поле, избегая повреждения хрупких образцов.( iii ) Разложение поля Шмидта можно использовать для улучшения изображения путем повторного взвешивания вкладов мод Шмидта.

Abstract

Мы предлагаем метод построения изображений квантовой дифракции, при котором один фотон запутанной пары дифрагирует от образца и обнаруживается в совпадении с его двойником. Изображение получается сканированием фотона, который не взаимодействовал с веществом. Мы показываем, что когда динамическая квантовая система взаимодействует с внешним полем, фазовая информация запечатлевается в состоянии поля обнаруживаемым образом.Вклад в сигнал фотонов, которые взаимодействуют с образцом, масштабируется как ∝Ip1 / 2, где Ip — интенсивность источника, по сравнению с ∝Ip классической дифракции. Это делает возможным получение изображений со слабыми полями, обеспечивая высокое отношение сигнал / шум, избегая повреждения хрупких образцов. Разложение Шмидта состояния поля можно использовать для улучшения изображения путем повторного взвешивания вкладов мод Шмидта.

Быстрое развитие коротковолновых сверхбыстрых источников света произвело революцию в нашей способности наблюдать микроскопический мир.Благодаря ярким лазерам на свободных электронах и настольным источникам высоких гармоник кратковременная (фемтосекундная) и длина (субнанометровая) шкалы становятся доступными экспериментально. Они предлагают новые захватывающие возможности для изучения пространственно-спектральных свойств квантовых систем, вышедших из равновесия, и отслеживания динамических релаксационных процессов и химических реакций. Пространственные особенности мелкомасштабных распределений заряда могут быть зарегистрированы во времени. Измерения дифракции рентгеновских лучей вне резонанса в дальней зоне дают полезную информацию о плотности заряда σQ, где Q — дифракционный волновой вектор.Наблюдаемая дифракционная картина SQ определяется квадратом модуля SQ∝σQ2. Преобразование этих сигналов в реальное пространство σr требует преобразования Фурье. Поскольку фаза σQ недоступна, инверсия требует восстановления фазы, которое может быть выполнено с использованием либо алгоритмических решений (1, 2), либо более сложных и дорогостоящих экспериментальных установок, таких как измерения гетеродина (3). Было показано, что методы коррелированного пучка (4⇓⇓⇓⇓⇓ – 10) в видимом режиме позволяют обойти эту проблему, создавая изображение мезоскопических объектов в реальном пространстве.У таких приемов есть классические аналоги с использованием коррелированного света. Они выявляют квадрат модуля исследуемого объекта σr2 (11, 12).

В этой статье мы рассматриваем установку, показанную на рис. 1. Мы фокусируемся на нерезонансном рассеянии запутанных фотонов, в котором только один фотон, обозначенный как «сигнал», взаимодействует с образцом. Его запутанный аналог, «холостой», пространственно сканируется и измеряется одновременно с приходом сигнального фотона. Холостой ход раскрывает изображение, а также раскрывает информацию о фазе, как недавно было показано в исх.13 для линейной дифракции, где детектирование, подобное гетеродину, было достигнуто из-за флуктуации вакуума детектора.

Рис. 1.

Эскиз предлагаемой установки квантовой визуализации. Широкополосный импульс накачки с волновым вектором kp распространяется через кристалл χ2, генерируя запутанную пару фотонов, обозначенную как сигнал и холостой ход. Фотоны различаются по поляризации (тип II) или по частоте (тип I) и разделяются светоделителем (BS). Сигнальный фотон взаимодействует с образцом и может далее рассредоточиваться по частоте и собираться «ковшовым» детектором Ds без пространственного разрешения.Ползунок пространственно разрешен в поперечной плоскости детектором Di. Два фотона обнаруживаются в совпадении (уравнение 12 ).

Наш первый основной результат состоит в том, что для малых углов дифракции с использованием разложения Шмидта двухфотонной амплитуды Φqs qi = ∑n∞λnunqsvnqi, где λn — соответствующий вес моды, читается как Spρ¯i ∝ Re∑nmλnλmβnmpvn * ρ¯ivmρ ¯i. [1] Здесь βnm (1) = ∫dr un (r) σ (r) um * (r), βnm (2) = ∫dr un (r) σ (r) 2um * r и ρ¯ i — двумерный вектор в поперечной плоскости обнаружения.σr — это плотность заряда целевого объекта, подготовленная актиничным импульсом, а p = 1,2 представляет собой порядок в σr. Для больших углов дифракции и сигнала с частотным разрешением фазозависимое изображение модифицируется на Sρ¯i∝Re∑nm∞γnmλnλmvn * ρ¯ivmρ¯i, где γnm имеет структуру, аналогичную βnm1, модулированной разложением Фурье уравнения Шмидта. основание. γnm зависит от фазы, в отличие от дифракции от классических источников.

Наш второй основной результат касается улучшения пространственного разрешения.При построении изображений на основе запутывания разрешение ограничено степенью корреляции двух лучей. Разложение Шмидта изображения позволяет нам улучшить желаемые пространственные характеристики плотности заряда. Моды Шмидта высокого порядка (которые соответствуют поперечным модам углового момента с высоким топологическим зарядом) предоставляют более подробную информацию о веществе. Повторное взвешивание мод Шмидта максимизирует модальную энтропию, что приводит к увеличению материальной информации и раскрывает мелкие детали плотности заряда. Кроме того, S1 в формуле. 1 не имеет классического аналога; вклад в общее изображение от сигнальных фотонов масштабируется как Ip1 / 2, где Ip — интенсивность источника. Это уникальный признак линейной квантовой дифракции (13). Общий обнаруженный сигнал получается при совпадении и масштабируется как ∝Ip3 / 2. Классическая дифракция, напротив, требует двух взаимодействий с входящим полем и, следовательно, масштабируется как Ip, а соответствующие совпадения масштабируются как ∝Ip2, что также применимо для S2. Благодаря благоприятному масштабированию слабые поля можно использовать для исследования хрупких образцов, чтобы избежать повреждений.

Пространственная запутанность

Доступны различные источники запутанных фотонов, от квантовых точек (14) до холодных атомарных газов (15) и нелинейных кристаллов, и они рассмотрены в ссылке. 4. Общее двухфотонное состояние можно записать в виде ψ = ∑ks, kiΦks, kiϵksμsϵkiμiaks, μs † aki, μi † 0s, 0i, [2] где ϵkν — поляризация, ak, νak, ν † — аннигиляция поля ( рождения), а Φks, ki — двухфотонная амплитуда. В параксиальном приближении поперечный импульс qs, qi и продольные степени свободы факторизуются.Поперечная амплитуда фотонной пары, генерируемой с помощью параметрического понижающего преобразователя, принимает тогда форму (4, 16⇓ – 18) Φqs, qi = Γqs + qisincL2qs − qi2, [3] и здесь Γq — огибающая накачки поперечных компонентов, L2 = lzλp4π, где λp — центральная длина волны, а lz — длина нелинейного кристалла в продольном направлении. Тогда состояние поля определяется выражением ψ = vac + C∑qs, qiωs, ωiApωs + ωi Φqs, qi × qs, ωs; qi, ωi, [4] где C — нормировочный префактор, а Ap — огибающая накачки.

Разложение Шмидта перепутанных двухфотонных состояний.

Отличительной чертой запутанных пар фотонов является то, что их нельзя рассматривать как два отдельных объекта. Это выражается в неразделимости амплитуды поля Φ на произведение однофотонной амплитуды; все обсуждаемые ниже интересные квантово-оптические эффекты являются производными от этой особенности. Φ можно представить как суперпозицию разделимых состояний с использованием разложения Шмидта (19⇓ – 21) Φqs, qi = ∑n∞λnunqsvnqi, [5] где моды Шмидта unqs и vnqi являются собственными векторами сигнала, а пониженная плотность матрицы, а собственные значения λn удовлетворяют нормировке ∑nλn = 1 (20).Количество соответствующих мод служит индикатором степени неотделимости амплитуды, т. Е. Запутанности фотонов. Общие меры запутанности включают энтропию Sent = −∑nλn⁡log2λn или число Шмидта κ − 1≡∑nλn2. Последнее также известно как обратное отношение участия, поскольку оно определяет количество важных мод Шмидта или эффективный размер совместного гильбертова пространства двух фотонов. В максимально запутанной волновой функции все моды вносят одинаковый вклад.

Пространственный профиль фотонов в поперечной плоскости (перпендикулярной направлению распространения) может быть расширен и измерен с использованием различных базисных функций; е.g., Лагерр – Гаусс (LG) или Эрмит – Гаусс (HG) был продемонстрирован экспериментально (22, 23). Эти множества удовлетворяют ортонормированности ∫d2q unqvkq = δnk и замыкающим соотношениям ∑n unqvnq ′ = δ2q − q ′. Отклонение λn от равномерного (плоского) распределения отражает степень запутанности. Совершенные квантовые корреляции соответствуют максимальной энтропии запутанности и, следовательно, плоскому распределению мод. Это дополнительно поясняется замыкающими соотношениями, которые демонстрируют сходимость к двухточечному отображению в пределе идеальной поперечной запутанности.Амплитуда бифотона демонстрирует два предельных случая для бесконечного обратного отношения участия, которые показаны на рис. 2. Когда функция sinc в уравнении. 3 аппроксимируется гауссианом, число Шмидта дано в замкнутой форме (24), κ = 14σpL + 1σpL2, [6] где σp2 — дисперсия поперечного импульса накачки. Для σp = l = 1 получаем κ = 1 и двухфотонная волновая функция разделима, Φκ = 1≡Φ1qs, qi = Φqs Φqi (без запутанности). Большое количество соответствующих мод Шмидта указывает на более сильные квантовые корреляции между двумя фотонами, как показано на рис.2. В крайних случаях либо исчезающего, либо бесконечного произведения σpl фотоны максимально запутаны κ → ∞, и соответствующая амплитуда равна Φ∞qs, qi ∝ δqs ± qi, как показано на рис. 2. Обозначим через ρs / i как координата поперечной плоскости реального пространства, сопряженная с qs / i. Амплитуда в реальном пространстве имеет два предельных случая, когда σpl → 0 Φρs, ρi = Φ≪∞ρs, ρi = Φ0δρs − ρi. Эта амплитуда отображает плоскость изображения, исследуемую сигнальным фотоном, непосредственно в детектор холостого хода. Противоположный предельный случай σpL → ∞ задается амплитудой Φρs, ρi = Φ≫∞ρs, ρi = Φ0δρs + ρi.Эта амплитуда отображает плоскость образца, контролируемую сигнальным фотоном ρs → −ρi, что приводит к зеркальному отображению. Мы используем сокращенное обозначение, где ρi¯ обозначает отображение образца в плоскость детектора с соответствующим знаком.

Рис. 2.

Поперечный профиль амплитуды пучка для различных чисел Шмидта. При κ3 = 1 амплитуда в уравнении. 5 разделяется, и фотоны не запутываются. По мере увеличения κ амплитуда приближается к узкому распределению. κ1 = 2,500 и κ2 = 25.5 получены в режиме σpL> 1, а амплитуда приближается к Φ≫∞∝δqs + qi. κ4 = 25,5 и κ5 = 2,500 взяты в режиме σpL <1 с асимптотической амплитудой Φ≪∞∝δqs − qi.

Уменьшенная матрица плотности холостого хода в базисе Шмидта

Уменьшенная матрица плотности холостого хода показывает роль квантовых корреляций в предлагаемой схеме измерения обнаружения (рис. 1). Совместная матрица плотности света и вещества в картине взаимодействия определяется выражением ρμϕintt = Te − i∫dτHI, −τρμ⊗ρϕ, [7] где T представляет собой временное упорядочение супероператора, а нерезонансное взаимодействие излучения и вещества равно HI = ∫drσr, tA2r, t с векторным полем Ar, t = −Ėr, tc.Индекс (-) на операторе гильбертова пространства представляет коммутатор O − ≡O, ⋅. Электрическое поле задается формулой Er, t = ∑kEk + r, t + Ek − r, t, такой что Ek + r, t = Ek − r, t † = 2πℏωkVk∑νϵkνak, νeik⋅r − iωkt, [8] где μ обозначает степени свободы материи, а ϕ обозначает степени свободы поля. Для слабого поля эволюцию матрицы плотности можно разложить по степеням поля, которые соответствуют числу взаимодействий света с веществом. В первом нетривиальном порядке однократное взаимодействие слева или справа от матрицы плотности совместного пространства соответствует изменению когерентности в подпространстве поля ρϕ = trμρμϕ.Поле излучения регистрирует отсутствие обмена фотонами из-за однократного взаимодействия с веществом, а только изменение его фазы. Когда начальное состояние поля содержит нетривиальную внутреннюю структуру, такую ​​как квантовые корреляции, возникающие из-за запутывания, исходная приведенная матрица плотности ρϕi = trμϕsρμ, ϕsi, полученная путем отслеживания по сигнальному лучу, имеет вид ρϕi0 = ∑n, i, i′λnvn * kivnki′1i1i ′, [9] диагональное в холостом подпространстве в базисе Шмидта. Когда сигнал взаимодействует со степенью свободы внешней материи, матрица пониженной плотности холостого хода больше не диагональна.В явном виде в пределе дифракции до малых углов приведенная матрица плотности холостого хода задается формулой ( SI Приложение , раздел 1) ρϕi1 = ∑n, m, i, i′Pnmvn * kivmki′1i1i ′ + hc, [10] где Pnm = iβnm1λnλm, а βnm1 = ∫dr unrσrum * r [11] — проекции величин материи на выбранный базис Шмидта. Наша установка позволяет исследовать наведенную когерентность поля из-за его взаимодействия с веществом.

На рис. 3 показана наведенная когерентность в пространстве Шмидта приведенной матрицы плотности холостого (невзаимодействующего фотона) из-за взаимодействия его двойника (сигнала) с объектом.Для этой визуализации мы выбрали базис Эрмита – Гаусса, изображенный на рис. Каждый режим помечен двумя индексами, по одному для каждого пространственного измерения изображения. На рис. 3 C и D мы проследили соответствующий индекс, в результате чего получился одномерный набор данных. Каждая согласованность соответствует проекции объекта между двумя модами. Уравнение 1 может быть получено как ожидаемое значение интенсивности, вычисленное из приведенной матрицы плотности холостого хода, представленной в формуле. 10 .

Рис. 3.

Приведенная матрица плотности холостого хода в базисе Шмидта. (A) Спроецированный объект. (B) «Размер пятна», соответствующий режиму HG00. (C) приведенная матрица плотности холостого хода перед взаимодействием с объектом, представленная в базисных модах Эрмита-Гаусса, заданных уравнением. 9 . (D) Изменение приведенной матрицы плотности холостого хода из-за взаимодействия с объектом, заданным уравнением. 10 .

Рис. 4.

Моды Эрмита – Гаусса. Режимы обозначены двумя индексами, каждый из которых представляет одно измерение в поперечной плоскости.

Дифракция в дальней зоне

Теперь обратимся к дифракции в дальней зоне с произвольными направлениями рассеяния. m, L + rm, tm — операторы напряженности поля и m = s, i.Стробирующие функции Gm представляют детали процесса измерения (25, 26). Уравнение 12 можно вычислить прямо из уменьшенной матрицы плотности холостого хода, несмотря на то, что она включает в себя оператор интенсивности сигнала. Причина заключается в том, что математическое ожидание оператора интенсивности отслеживает однофотонное пространство. Частичный след над однократно занятым сигнальным состоянием приводит к такому же выводу. Оценка этого выражения включает корреляционную функцию операторов с 10 полями, которая явно показана в приложении SI , раздел 2, уравнение.ρ − ρα | b обозначает матричный элемент оператора плотности заряда, прослеживаемый по продольной оси относительно собственных состояний {a, b}, а ρα — положения частиц в образце. Изначально материал может быть приготовлен в суперпозиционном состоянии. Подставляя разложение Шмидта (Ур. 5 ) в Ур. 13 даетSρ¯i ∝ Re∫dωsEωsdρs∑nm∞λnλmunρsvn * ρ¯i × vmρ¯i∫dρ′um * ρ′σρ′e − iQs⋅ρ ′. [14] Это показывает плавный переход от импульса к реальному -космическая съемка. Для слабых мод Шмидта, которые существенно не меняются по шкале плотности заряда, последний член дает σQs≈∫dρ′um * ρ ′ σρ′e − iQs⋅ρ ′.Следовательно, когда моды Шмидта не изменяются по шкале длин плотности заряда до высокого порядка, разложение Фурье плотности заряда проецируется на un и повторно взвешивает соответствующие холостые моды. Результирующее изображение, полученное при пространственном сканировании холостого хода, представляет собой преобразование Фурье плотности заряда, спроецированного на соответствующий холостой режим. С другой стороны, когда моды Шмидта изменяются вдоль плотности заряда, точное выражение для дифракционного изображения в дальней зоне дается формулой: Sρ¯i ∝ Re∑nm∞γnmλnλmvn * ρ¯ivmρ¯i [15] γnm = ∑kβkm1∫dρsdωsEωsunρsuk * Qs , [16] где βnm1 определено в формуле. 11 . Из определения Qs очевидно, что его угловая составляющая uk идентична соответствующей составляющей в un, и поэтому γnm состоит из суммирования по модам с одинаковым угловым моментом в базисном наборе LG.

Также возможно получить изображение плотности заряда в реальном пространстве, когда сигнал рассредоточен по частоте. Предполагая для простоты идеальную квантовую корреляцию между сигналом и холостым сигналом, мы получаем Sρ¯i, ω¯s ∝ Reσρ¯ie − iω¯scρ¯i. [17] Это изображение зависит от фазы и, следовательно, позволяет нам свободно переходить между импульсным и реальным пространство, которое невозможно при обычной дифракции классического света.Фазозависимое изображение Фурье в этом пределе также задается путем разрешения сигнального фотона относительно частоты ω¯s ( SI Приложение ).

Переоценка модальных вкладов

Очевидная классическая форма когерентной суперпозиции в представлении Шмидта, где каждая мода несет различную пространственную информацию о материи, предполагает эксперименты, в которых одновременно измеряется одна мода Шмидта (23). Это имеет некоторое сходство с когерентным модовым представлением частично когерентных источников, изученных в работах.27 и 28. Кроме того, он позволяет повторно взвешивать моды с большим угловым моментом, доступные экспериментально (29) и, как известно, имеют убывающее влияние на изображение при наивном суммировании. Повторный взвешивание усеченных сумм широко используется в качестве инструмента повышения резкости при цифровой обработке сигналов, особенно при улучшении медицинских изображений (30). Этот подход поднимает вопросы относительно анализа оптимальных весов Шмидта, минимизации ошибок и спроектированного функционального уменьшения весов, как это сделано в теории для дискретизированных сигналов.Структура отображения пространственной информации от сигнала до холостого хода принимает более простой вид для малых углов рассеяния. Когда мы исследуем вклады первого и второго порядка, обусловленные единичным распределением заряда, результирующее изображение усеченной суммы, составленной из первых N мод, будет иметь вид SNpρ¯i ∝ Re∑n, m = 0Nλnλmβnmpvn * ρ¯ivmρ¯i , [18] где βnm2 = ∫dr unrσr2um * r — коэффициент рассеяния между модами Шмидта, который напоминает выражения, используемые в предыдущих методах двухфотонной визуализации (4, 11, 12).βnm1, определенный в формуле. 11 , содержит фазовую информацию исследуемого объекта и не имеет классического аналога. Его представление в импульсном пространстве выглядит так: βnm1 = ∑ks, kdunksσks − kdum * kd, [19] где d обозначает обнаруженную моду, первоначально находящуюся в вакуумном состоянии. Это более ясно показывает физическую роль плотности заряда в взаимодействии различных мод Шмидта.

Рис. 5 A представляет спектр Шмидта для пучка с σpl = 0,07, что дает κ≈14. Рис. 5 B иллюстрирует улучшение полученного изображения за счет пересуммирования мод Эрмита – Гаусса объекта, разложенного на рис.3. Используя формулу. 18 со сглаженным спектром Шмидта демонстрируем усиление мелких деталей дифрагированного изображения. Измерение фазы показано на рис. 5 C и D .

Рис. 5.

Взвешенная рекомбинация усеченной суммы в уравнении. 18 , используя базис HG с σpl = 0,07, что соответствует κ≈14. (A) Веса Шмидта запутанного источника света. (B) Изображение первого порядка. Показана рекомбинация с использованием исходного веса каждой моды ( Верхняя строка ) по отношению к N первым модам.Это соответствует прямому изображению с заданными параметрами. Нижняя строка показывает рекомбинацию спектра Шмидта с повторным взвешиванием, которая соответствует N первым модам, отмеченным (R). (C) Действительная часть изображения Ir, ϕ с добавленной пространственной фазой Iρ, ϕexp − i2πL / 3ρ. (D) Повторно взвешенное усеченное суммарное дифракционное изображение, полученное по формуле. 18 для n = 20. Показано восстановление пространственной фазы.

Обсуждение

Рассеянный квантовый свет от материи несет фазовую информацию в нечетных порядках в распределении заряда σq, взаимодействии света с веществом.В первом порядке изменение квантового состояния поля из-за однократного взаимодействия запечатлевается в фазе фотонов, которую можно обнаружить. Однако в этом порядке фотон не генерируется. Гомодинная дифракция классических источников приводит к четным корреляционным функциям плотности заряда. Мы предоставили полное описание распределения заряда, возникающего в результате неисчезающих нечетных порядков взаимодействия излучения с веществом. Обнаруженное изображение чувствительно к степени запутывания.Высокое разрешение достигается в пределах бесконечного или исчезающего σpl, что трудно реализовать. Для длинного нелинейного кристалла фактор фазового синхронизма является более доминирующим, и для генерации сильных квантовых корреляций требуется сильная расходимость пучка. Этот предел несовместим с параксиальным приближением амплитуды и требует дальнейшего изучения. В пределе короткого кристалла амплитуда соответствует угловому спектру накачки, а разрешение ограничено длиной кристалла и малой расходимостью пучка.

Мы продемонстрировали, что измерения дифракции совпадений запутанных фотонов с квантовым детектированием также могут обеспечить повышенное разрешение изображения. Уравнение 18 обеспечивает интуитивно понятную картинку для передачи информации от сигнала к холостым лучам. Путем повторного взвешивания пространственных мод, охватывающих измеренное изображение, можно уточнить информацию о веществе. Состояния света с высоким угловым моментом недавно были экспериментально продемонстрированы с квантовыми числами выше ∼104 (29).Для обсуждения субволнового разрешения кардинальное практическое значение имеет количественное определение естественного отсечки высоких топологически заряженных мод. Повторное взвешивание распределения мод Шмидта мотивировано замыкающими соотношениями ∑n unqvnq ′ = δ2q − q ′. Это говорит о том, что равный вклад мод сходится в дельта-распределении двухфотонной амплитуды, идеально передавая пространственную информацию между фотонами. Поиск оптимального веса — задача для будущих исследований. Также можно рассмотреть методы оптимизации получения сигнала, используемые в теории дискретизации, избегающие высокочастотного шума квантования (30).

Визуализация отдельных локализованных биологических молекул была основной движущей силой для создания рентгеновских лазеров на свободных электронах (31). Такие молекулы сложны, хрупки и, как правило, обладают многомасштабной динамикой. Одна из стратегий — использовать свежий образец на каждой итерации, предполагая деструктивное измерение. Для уменьшения повреждений были предложены ультракороткие импульсы рентгеновского излучения (32). Запутанные фотоны жесткого рентгеновского излучения были созданы с помощью параметрического преобразования с понижением частоты с использованием кристалла алмаза (33).Предотвращение повреждения таких комплексов с помощью слабых полей позволяет нам проследить эволюцию первоначально возмущенных плотностей зарядов. Линейная дифракция масштабируется как Ip1 / 2 с сигнальными фотонами, которые взаимодействуют с образцом, в то время как общее изображение совпадения масштабируется как Ip3 / 2. Использование дифракции запутанных фотонов на распределениях зарядов, изначально подготовленных сверхбыстрыми импульсами, приводит к отображению их динамики в реальном пространстве и представляет собой увлекательную тему для будущих исследований.

Выражение признательности

Выражаем признательность за поддержку Отдела химических наук, наук о Земле и биологических наук Управления фундаментальных энергетических наук Управления науки Министерства энергетики США.Совместные визиты K.E.D. Калифорнийскому университету в Ирвине была присуждена награда DEFG02-04ER15571, а. С.М. был поддержан премией DESC0019484. Стипендия S.A. была поддержана Национальным научным фондом (грант CHE-1663822). K.E.D. благодарит за поддержку Фонд молодых ученых Цзицзян, Восточно-китайский педагогический университет; Проект внедрения зарубежной экспертизы для дисциплинарных инноваций (проект 111, B12024). Мы также благодарим Ноа Асбан за графические иллюстрации.

Сноски

• Автор: С.А., К.Э.Д. и С.М. спланированное исследование; S.A. провела исследование; S.A. проанализировал данные; и С.А., К.Э.Д. и С.М. написал газету.

• Рецензенты: С.С., Университет Бар-Илан; и I.A.V., Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY).

• Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

• Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.19116/-/DCSupplemental.

Свет для квантов.Запутанные фотоны и их применение: очень личная перспектива

Международный год света 2015 [1] дал нам возможность отметить ряд важных юбилеев. Среди них публикация в 1015 году семитомного трактата по оптике Ибн Аль-Хайсама [2], 200-летие Волновой теории света, предложенной Френелем в 1815 году [3], и 150-летие Электромагнитной теории. распространения света Максвелла [4]. Для квантовой оптики особенно актуальным является 110-летие предложения Альберта Эйнштейна о частицах света в 1905 г. [5], 80-летие публикации в 1935 г. обеих статей Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР) [6], открывающих проблему квантовая запутанность и статья Шредингера того же года, содержащая парадокс кота Шредингера [7], поднимающий вопрос о квантово-классическом переходе.

В данной статье я рассмотрю некоторые из этих вопросов с довольно личной точки зрения, сосредоточив внимание на моем собственном развитии и опыте. Это начнется с моего раннего интереса к квантовой механике и закончится некоторыми из самых последних достижений. Для нас, первых исследователей тогда еще в значительной степени неизведанной квантовой территории, стало неожиданностью, когда с годами появились приложения, которых никто из нас не ожидал, когда мы отправились в путь. Эти новые технологии известны под такими названиями, как квантовая связь, квантовая телепортация, квантовая криптография и квантовые вычисления.Как и раньше в истории физики, возникла совершенно новая технология, вызванная изначальным фундаментальным любопытством — в данном случае о природе света.

Мой интерес к науке, вероятно, возник благодаря моему отцу, который был биохимиком. Мне стало любопытно, как устроен мир, и увлекательный учитель в старшей школе направил меня к математике и физике. Он смог дать нам ощущение, что мы понимаем основы теории относительности или квантовой механики.Оглядываясь назад, можно сказать, что это чувство не было оправданным, но имело решающее значение для мотивации. Затем, когда я начал изучать физику и математику в Венском университете в 1963 году, фиксированной учебной программы не существовало вообще. По сути, можно было выбирать темы по своему вкусу. Только в конце нужно было сдать строгий экзамен и защитить кандидатскую диссертацию. В результате я не потратил ни одного часа на квантовую механику, но все выучил по учебникам к выпускному экзамену. Читая эти учебники, я сразу был поражен безмерной математической красотой квантовой теории.Но у меня возникло ощущение, что действительно фундаментальные вопросы не были затронуты, и этот факт только увеличил мое любопытство.

Затем случилось нечто счастливое. В то время как я работал со своим научным руководителем, Гельмутом Раухом, над исследованиями магнетизма по рассеянию нейтронов, он вместе с Треймером и Бонзе разработал фантастический нейтронный интерферометр [8]. Поскольку я знал о поляризации нейтронов, я решил, что произойдет, если спин нейтрона будет использован в интерференционном эксперименте.Получившийся эксперимент стал моим первым приобщением к основам квантовой механики. Это было подтверждением того, что спинорная волновая функция меняет знак при вращении на 2 π (рисунок 1) [9]. Только после двойного вращения восстанавливается исходное состояние. Это также первый случай в моей личной истории фундаментального квантового результата, который нашел свое применение сегодня. Тот факт, что волновая функция с двумя состояниями меняет знак после полного флопа Раби, является центральным для многих схем квантовых вычислений.Я буду вечно благодарен Гельмуту Рауху за то, что он позволил мне участвовать в его проекте по нейтронной интерферометрии. От него я также узнал, что важно доверять собственному вдохновению. Иногда нужно следовать своим собственным идеям, даже если, а может быть, особенно, когда он их не понимает.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 1. Вращательная симметрия системы с двумя состояниями.Нейтронный интерферометр (слева), сделанный из цельного куска бездислокационного кристалла кремния, разделяет входящий пучок нейтронов на пучки I и II. Затем один из двух лучей подвергается воздействию переменного магнитного поля. Таким образом, два выходящих луча наблюдают колебания интенсивности (справа) с периодом 4 π , тем самым подтверждая тот факт, что спинорная волновая функция меняет знак после одного полного вращения. Перепечатано из [9], Copyright (1975), с разрешения Elsevier.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 2. Двухчастичная интерферометрия. Источник испускает запутанные по импульсу пары частиц, скажем, фотоны. Каждый из них подвергается интерферометру. Для максимально запутанного состояния по импульсу корреляции Эйнштейна-Подольского-Розена возникают между детекторами двух частиц. Также при изменении фаз θ ₁ и θ ₂ может наблюдаться нарушение неравенства Белла. Эта идея возникла после объявления о конференции «50 лет эксперимента Эйнштейна – Подольского – Розена Геданкен», которая состоялась в Йоэнсуу, Финляндия, в 1985 году.Использовано повторно из [13] © 1985 World Scientific Publishing Co.

Загрузить рисунок:

Стандартное изображение Изображение высокого разрешения

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 3. Трехчастичный интерферометр ГГц. Источник испускает три частицы, 1, 2 и 3, в шести лучах в состоянии ГГц. Сдвиг фазы ₁ передается пучку a ‘ частицы 1, и пучки a и a’ сводятся вместе на светоделителе перед освещением детекторов d и d ‘.То же самое и для частиц 2 и 3. Противоречие между квантовой механикой и локальным реализмом возникает из-за идеальной корреляции между детекторами трех частиц. Из [18] © Американская ассоциация учителей физики, 1990 г. (http://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.16243).

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 4. (a) Наличие конусов самопроизвольного преобразования с понижением частоты с фазовым согласованием типа II. Коррелированные фотоны лежат по разные стороны от луча накачки. (b) Фотография фотонов с понижающим преобразованием через интерференционный фильтр на 702 нм (полная ширина 5 нм на полувысоте (FWHM)). На пересечении колец возникают поляризационно-запутанные пары. Этот источник стал центральным во многих экспериментах, проведенных в моей группе. Рисунок перепечатан с разрешения [19], Copyright (1995) Американского физического общества.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 5. Фотография фотонов понижающего преобразования, сделанная с помощью различных интерференционных фильтров. Фото: Майкл Рек и Пол Квиат.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 6. Экспериментальная реализация состояний ГГЦ. На рисунке показана установка, использованная в первой демонстрации запутанности GHZ. Кристалл BBO создает две пары запутанных фотонов одновременно. Время проведения эксперимента и геометрия были устроены таким образом, что, когда триггерный детектор T регистрирует фотон, информация о том, из двух пар он исходит, стирается. Затем, когда три фотона регистрируются в D ₁ , D ₂ и D ₃ , они демонстрируют желаемую корреляцию в ГГц.Перепечатано с разрешения [20], Copyright (1999) Американского физического общества.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Явление, что спинорные волновые функции не симметричны относительно вращения 2 π , а только вращения 4 π , следует из уравнения Шредингера для системы с двумя состояниями. В этом смысле это математическое явление, но оно также имеет более глубокое значение, потому что объекты с неразрывной связью с внешним миром также напоминают такую ​​симметрию 4 π .Только что упомянутое вращение 4 π также открыло новые возможности для моей карьеры. В 1976 году Джон Белл и Бернар д’Эспанья организовали в Эриче встречу под названием «Thinkshop in Physics». На встрече обсуждались новые фундаментальные эксперименты в квантовой механике. Там я впервые услышал о корреляциях ЭПР, неравенствах Белла и запутанности. Там я встретил некоторых людей, которые впоследствии стали очень известными в этой области, например, Джона Клаузера, Эда Фрая, Алена Аспекта и Эбнера Шимони.Честно говоря, я не очень понимал, что происходит. Но некоторое утешение было дано в разговоре с Майклом Хорном, который позже стал известен благодаря Клаузеру-Хорну [10] и Клаузеру-Хорну-Шимони-Холту [11]. Он в основном сказал, что тоже не знает, что происходит на самом деле. Эта встреча была очень важной для меня, потому что Валентин Телегди, который также участвовал, открыл для меня возможность поступить в MIT. Там я присоединился к группе Клиффа Шулла, который интересовался нейтронной интерферометрией и позже получил Нобелевскую премию за разработку нейтронной дифракции [12].

В Массачусетском технологическом институте я построил новые нейтронные интерферометры и провел фундаментальные эксперименты, которые выходят за рамки данной статьи. Самое главное, я снова встретил Майка Хорна, когда я приехал, и это привело к плодотворному сотрудничеству и дружбе на всю жизнь. Позднее к этому тесному сотрудничеству присоединился Дэнни Гринбергер. Постепенно я попал в завораживающее поле запутанности. Решающим фактором стала организация конференции Лаурикайненом «50 лет Геданкенэксперимента EPR» в 1985 году в Йоэнсуу, Финляндия.Нам с Майком Хорном было интересно поехать туда. Долгое время работая над нейтронной интерферометрией, мы искали связь между интерферометрией и корреляциями ЭПР. Таким образом, мы развили идею эксперимента ЭПР типа Белла с использованием линейных импульсов, который был первым предложением о нарушении неравенства Белла с использованием внешних переменных вместо внутренних переменных, таких как спин (рис. 2) [13]. В последующей работе с Абнером Шимони [14] мы предложили явный эксперимент Белла с фотонами от понижающего преобразования [15].Позднее этот эксперимент был проведен Рэрити и Тапстером [16]. Сегодня импульсная запутанность или ее обобщение, многомодовая запутанность, лежит в основе многих экспериментов по квантовым вычислениям.

В 1987 году Даниэль Гринбергер посетил меня в Вене в качестве стипендиата программы Фулбрайта. В первый день мы сели вместе и выяснили, что нам обоим было интересно, что произойдет с теоремой Белла, если более двух частиц запутаются друг с другом. Дэнни Гринбергер проделал все расчеты.Еще в Бостоне у нас была поддержка на расстоянии от Майка Хорна. Я до сих пор помню, насколько беспорядочными были результаты расчетов для нашего конкретного случая: мы изучили одну частицу с нулевым спином, распадающуюся на две частицы со спином один и каждую снова на две частицы с половинным спином. Поэтому мы решили уменьшить сложность и смотреть только на идеальные корреляции. Такие корреляции важны для систем с двумя состояниями, например для спина. Там Джон Белл обнаружил, что для случая всего двух запутанных частиц идеальные корреляции могут быть объяснены с местной реалистической точки зрения.Для двух спиновых полусистем это, например, измерения спина в одном и том же направлении. Только корреляции при наклонных углах измерения противоречили бы квантовой механике. К нашему удивлению, мы обнаружили, что для трех или более запутанных частиц даже идеальные корреляции не могут быть объяснены локально реалистичным способом. То есть возникает противоречие между квантовой механикой и локальным реализмом, взглядом Эйнштейна на ЭПР, уже для отдельных квантовых событий, а не только для статистических ансамблей, как это было в случае неравенства Белла [17].Обобщение двухчастичной интерферометрии, явно предложенное для случая трехчастичной интерферометрии (рис. 3) [18], показало бы именно тот вид противоречия, о котором только что говорилось.

С момента нашего удивительного открытия любопытных свойств многочастичных запутанных состояний моей целью было реализовать такие состояния в лаборатории. В конце 1980-х это было огромной проблемой. Не существовало достаточно хороших источников запутанных состояний, процедуры запутывания более двух частиц были полностью неизвестны, требовалось найти критерии совпадения и обнаружения в этой ситуации и т. Д. — короче говоря, ни один из инструментов для создания многочастичных запутанных состояний государства существовали, и нам в основном приходилось изобретать их с нуля в наших лабораториях.Первым важным шагом был переход от нейтронов к атомной оптике, с одной стороны, и к фотонной запутанности, с другой, потому что нейтроны не подходили для реализации запутанных состояний.

Например, во время предложения [18] было очевидно, что существующие источники запутанных фотонов, основанные на процедуре понижающего преобразования типа I [15], не производили пучки запутанных пар с достаточной интенсивностью. Таким образом, разработка Полом Квиатом и другими членами моей группы нового высокоинтенсивного источника для пар поляризационно-запутанных фотонов (рисунки 4 и 5) [19] также стала решающей для многих наших последующих экспериментов.

Обладая этим новым источником, мы наконец смогли реализовать ряд основных концепций квантовой информатики. Один из них был первой экспериментальной реализацией состояний GHZ (рис. 6) [20], и они также использовались в тестах квантовой нелокальности в трехчастичной запутанности [21].

Как я упоминал выше, в нашей работе по реализации многофотонных запутанных состояний GHZ в лаборатории мы разработали множество игрушек, которые со временем стали полезными во многих приложениях квантовой информации.Попутно наше — и, возможно, любое — первое применение квантовой запутанности в протоколе теории информации было экспериментальной реализацией [22, 23] сверхплотного кодирования. Основная концепция была предложена Беннеттом и Визнером в 1992 г. [24]. Чтобы реализовать эту идею, сначала рассмотрим поляризацию одиночного фотона. Например, в него можно закодировать один бит классической информации, выбрав в основе горизонтальную или вертикальную поляризацию. Должен заметить, что существует полный изоморфизм с физикой частиц со спином 1/2.Вертикально поляризованный фотон может, например, рассматриваться как эквивалентная частица со спином вверх, а горизонтально поляризованный фотон может быть эквивалентен частице со спином вниз.

Идея сверхплотного кодирования основана на интересной особенности запутанности. Если посмотреть на максимально запутанные состояния двух фотонов, в результате получатся четыре ортогональных состояния Белла. Эти четыре ортогональных состояния представляют собой два независимых бита классической информации. Единственный вопрос — как создать эти состояния, чтобы закодировать информацию, и как измерить состояния, чтобы декодировать ее.Основная идея сверхплотного кодирования заключается в том, что для переключения между всеми четырьмя двухфотонными состояниями Белла необходимо иметь доступ только к одному фотону (рисунок 7). Достаточно манипулировать поляризацией и фазой только одного фотона. Предположим, кто-то начинает с одного состояния Белла, а затем, чтобы переключиться на другое, нужно просто изменить фазу одиночного фотонного фотона, например, вставив пластину λ /4, как показано на рисунке 7. Чтобы переключиться на в другом состоянии меняется местами горизонтальная и вертикальная поляризация с пластиной λ /2, как показано.Чтобы переключиться на четвертую, применяются пластины λ /2 и λ /4. Обратите внимание, что работая с одним незапутанным лучом, можно было закодировать только один бит информации. Но поскольку фотон запутан с другим, правильная идентификация запутанных состояний дает четыре возможности, то есть два бита информации, которые могут быть закодированы и декодированы.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 7. Экспериментальная установка для квантового плотного кодирования. Источник производит пару запутанных поляризацией фотонов в одном из состояний Белла. Затем Боб, изменяя только один из двух фотонов, может переключаться между четырьмя ортогональными возможностями для двухфотонного состояния, таким образом отправляя два бита информации. В классической обстановке он мог бы послать только один бит, если бы у него был доступ к поляризации только одного фотона. Затем Алиса, имея доступ к обоим фотонам, может идентифицировать полное сообщение.В нашем эксперименте было возможно разрешить три возможности, то есть отправить 1,76 бита информации, что по-прежнему дает более одного бита информации на фотон, обрабатываемый Бобом. Перепечатано с разрешения [22], Copyright (1996) Американского физического общества.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

В самом эксперименте мы смогли различить три возможности, измерив корреляции для двух фотонов в светоделителе и поляризаторе, показанном на (рис. 7).Таким образом, 1,76 бита информации можно было закодировать и декодировать, просто обратившись к одному фотону. Это явно превышает классический предел в один бит на фотон.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 8. Квантовая телепортация. У Алисы есть квантовая система, частица 1, в неизвестном начальном состоянии, которую она хочет телепортировать к Бобу. Алиса и Боб имеют общую запутанную пару частиц 2 и 3, испускаемых источником ЭПР.Затем Алиса выполняет совместное измерение состояния Белла (BSM) для исходной частицы и одного из вспомогательных элементов, проецируя их также на запутанное состояние. После того, как она отправила результат своего измерения в виде классической информации Бобу, он может выполнить унитарное преобразование (U) на другой вспомогательной частице, в результате чего она окажется в состоянии исходной частицы. Перепечатано с разрешения Macmillan Publishers Ltd: Nature [26], Copyright 1997.

Загрузить рисунок:

Стандартное изображение Изображение высокого разрешения

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Как я упоминал выше, моей целью было реализовать состояния GHZ с тех пор, как Гринбергер, Хорн и я предложили их.По дороге опять случилось непредвиденное. В 1992 году Беннет, Брассар, Крепо, Жоза, Перес и Вуттерс предложили концепцию квантовой телепортации [25]. Когда вышла эта статья, я сразу же отозвался о невозможности проведения эксперимента в обозримом будущем. Я не знал, что в моей лаборатории мы разрабатывали все необходимые инструменты для этого. Причина в том, что требования к квантовой телепортации очень похожи на требования к установлению многочастичной запутанности.

Мы поняли, что такой эксперимент похож на эксперимент GHZ, потому что при телепортации также создаются две запутанные пары, а затем необходимо выполнить измерение, которое стирает исходную информацию (рисунок 8). Самым сложным требованием при разработке технологии было соответствие требованиям точного времени для создания и измерения двух фотонных пар. В противном случае точные измерения времени могут выявить исходную информацию и, таким образом, запретить проецирование на совместное состояние.В первом эксперименте [26] нам удалось телепортироваться на расстояние около одного метра в лаборатории. Квантовая телепортация позволяет телепортировать квантовое состояние неизвестной системы на произвольное расстояние, при этом Алисе не нужно отправлять само состояние принимающему Бобу [26]. Поэтому мы также выполнили эксперимент по квантовой телепортации на расстояние 143 км (рисунок 9) [27] в серии экспериментов по квантовой связи на Канарских островах (рисунок 12).

Что примечательно, в то же время похожий эксперимент по телепортации на большие расстояния был реализован группой Цзянь-Вэй Пань через озеро Цинхай в Китае [28].

Решающим шагом вперед, уже использовавшимся в телепортации, который затем стал важным во многих будущих протоколах, было осознание того, что простой светоделитель может использоваться для запутывания независимых фотонов. Эта идея нашла немедленное применение в реализации предложения совместно с Жуковским и др. [29] об обмене сцепленностью. При смене запутанности два фотона, которые никогда не взаимодействовали друг с другом, запутываются.

Обмен запутывания — очень любопытная ситуация.По сути, это телепортация запутанного состояния [25]. Когда мы предложили этот метод в 1993 г. [29], мотивация заключалась в том, чтобы реализовать так называемую «ситуацию готовности к событию» в ходе проверки неравенства Белла, как это было предложено Джоном Беллом [30]. По сути, каждый берет две запутанные пары и проецирует по одному фотону из каждой пары в запутанное состояние, в результате чего каждый знает, что два других фотона, по одному от каждой пары, которые могут находиться в отдаленных местах, теперь запутались. Как следствие, у каждого есть запутанное состояние для этих двух далеких фотонов.Очевидно, это справедливо для любых запутанных частиц. Это стало важным, например, в недавнем эксперименте Белла без лазеек, о чем будет сказано ниже.

Также можно понять, почему эта процедура называется перестановкой сцепления (рисунок 10). Запутанность заменяется двумя исходными парами 1–2 и 3–4, которые могут быть созданы независимо, на два фотона 2–3 и 1–4.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 10. Принцип перестановки сцеплений. Два источника ЭПР производят две пары запутанных фотонов: пару 1-2 и пару 3-4. Один фотон от каждой пары (фотоны 2 и 3) подвергается измерению состояния Белла, которое их запутывает. Это приводит к проецированию двух других исходящих фотонов 1 и 4 в запутанное состояние. Это результирующее состояние можно использовать, например, в квантовом повторителе для соединения квантовых компьютеров друг с другом. Очевидно, что схема может быть повторена для обеспечения — через перестановку цепной запутанности — соединений на большие расстояния.Перепечатано с разрешения Macmillan Publishers Ltd: Nature [27], Copyright 2012.

Загрузить рисунок:

Стандартное изображение Изображение высокого разрешения

Наиболее интересно концептуально то, что эти два фотона никогда не взаимодействовали в прошлом. Таким образом, и это то, что в то время привлекло мое личное воображение, запутанность не ограничивается ситуациями, когда две частицы исходят из одного и того же источника, или когда между частицами существует что-то вроде взаимодействия, или когда закон сохранения отвечает за запутанность.В самом эксперименте создается две запутанных пары и перекрывается по одному фотону от каждой пары на анализаторе состояния Белла. Опять же, должны соблюдаться довольно строгие условия совпадения по времени [31].

Интересно отметить, что предложение использовать замену запутанности в тесте Белла недавно было реализовано в двух экспериментах, закрывающих множество лазеек одновременно. В этом случае это было создание сцепления между двумя спинами [32] или между двумя атомами [33]. Они запутались друг с другом, запутав по одному фотону, испускаемому каждым спином или атомом.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 11. Переключение запутанности по каналу в открытом пространстве протяженностью 143 км между Канарскими островами Ла Пальма и Тенерифе. Оба источника спонтанного параметрического преобразования с понижением частоты (SPDC), модуль измерения состояния Белла (BSM) и модуль Alice, были расположены на острове Ла-Пальма. Боб находился на Тенерифе. Два источника SPDC генерировали запутанные поляризацией пары фотонов 0–1 и 2–3.Фотоны 1 и 2 (фотоны обозначены черными цифрами в красных кружках) были подвергнуты измерению состояния Белла, которое запутало их. 100-метровое волокно задерживало фотон 0 относительно фотона 3, так что измерения Алисы и Боба были разделены пространственно, поскольку никакой сигнал от измерения Алисы не мог прибыть вовремя, чтобы повлиять на измерения Боба. Выявление запутывания фотонов 0 и 3 между Алисой и Бобом подтвердило успешный обмен запутывания. Все события обнаружения были отмечены временными метками (TTU) с разрешением 156 пс и сохранены для последующего анализа.Воспроизведено с разрешения из [34]. Подробности смотрите там.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 12. Оптическая наземная станция (OGS), установленная на острове Тенерифе Европейским космическим агентством ESA. Этот телескоп используется в наших тестах квантовой связи на большие расстояния между Канарскими островами Тенерифе и Ла-Пальма, которые разделены примерно 150 км.Показанный лазерный луч — это выравнивающий лазер, идущий на Ла-Пальму. В конце лазерной линии можно увидеть яркое пятно, которое является еще одним ориентирующим лазером, указывающим от Ла-Пальмы до Тенерифе. Фото: Даниэль Падрон.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 13. Квантовая криптография на основе запутанности и тест Белла с настройками поляризатора, изменяемыми с помощью квантового генератора случайных чисел.Поляризационно-запутанные фотоны создаются в источнике и передаются по оптическим волокнам Алисе и Бобу, которые находятся на расстоянии 360 м, и оба фотона анализируются, обнаруживаются и регистрируются независимо. Рубидиевые часы служат для правильной идентификации фотонов, принадлежащих паре. После выполнения измерения ключи устанавливаются Алисой и Бобом посредством классической связи по стандартной компьютерной сети. Перепечатано с разрешения [40], Copyright (2000) Американского физического общества.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 14. В эксперименте по квантовой криптографии на основе запутанности [40] было передано изображение чучела Венеры фон Виллендорфа, австрийской доисторической резьбы и известной иконы доисторического искусства — зашифровано и расшифровано. . Перепечатано с разрешения [40], Copyright (2000) Американского физического общества.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 15. Одна из двух станций наблюдения, использованных как в эксперименте по квантовой криптографии, так и в тесте Белла, который закрыл лазейку в связи. Быстрый квантовый генератор случайных чисел управляет электрооптическим модулятором и, таким образом, изменяет измерение поляризации.В качестве детекторов используются кремниевые лавинные фотодиоды. «Временная метка» сохраняется для каждого обнаруженного фотона вместе с соответствующим случайным числом «0» или «1» и кодом для детектора «+» или «-», соответствующими двум выходам призменного поляризатора Волластона. Все корректировки и корректировки были чисто локальными операциями, которые не полагались на общий источник или на связь между наблюдателями. Перепечатано с разрешения [45], Copyright (1998) Американского физического общества.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Обмен запутывания теперь может охватывать расстояния порядка 150 км, как недавно также было продемонстрировано между островами Ла-Пальма и Тенерифе (рис. 11) [34].

Как я уже упоминал, меня в основном интересовал обмен запутывания из-за любопытной особенности, заключающейся в том, что его можно использовать для запутывания двух полностью независимых фотонов друг с другом. Это в принципе довольно интересно. Но, в очередной раз, я был удивлен появлением важного приложения.Обмен запутывания будет иметь важное значение для соединения будущих квантовых компьютеров друг с другом на больших расстояниях в квантовом Интернете. Обмен запутывания оказывается важным компонентом квантового повторителя [35], который в основном представляет собой комбинацию перестановки запутанности и крошечных узлов квантового компьютера, которые обеспечивают очистку запутанности (рисунок 19) [36] и усиление квантового сигнала [35]. .

Как я упоминал выше, в конце 1980-х я заинтересовался квантовой запутанностью просто из фундаментального любопытства.Как и все остальные в этой области в то время, я полагаю, я не знал о каких-либо возможных приложениях. Более того, я, вероятно, — но это трудно сказать задним числом — был убежден, что никаких приложений никогда не будет, что решение таких проблем было просто частью радости физики. Все изменилось.

Я до сих пор помню свой настоящий восторг, когда на конференции в Италии в 1990 или 1991 году я обнаружил плакат, представленный Артуром Экертом, где он предлагает использовать квантовую запутанность для квантовой криптографии.Для меня это предложение было приятной интеллектуальной ясностью и простотой. Но все же даже в то время я действительно не думал, что это может быть больше, чем интеллектуальная игра. Реальное техническое крупномасштабное приложение казалось мне слишком далеким. Но затем я недооценил творческий потенциал своих коллег по всему миру и, должен признать, также и моей собственной группы, чтобы найти возможности для реализации таких «игрушечных приложений» квантовой запутанности. Я, конечно, не ожидал, что такие «игрушечные приложения» приведут к появлению полезных технологий.И, оглядываясь назад, что еще более удивительно, я недооценил творческий потенциал своей группы и ее решимость реализовать такие схемы экспериментально. С тех пор в этой области произошел огромный взрыв: сначала экспериментов, реализующих основные идеи, а затем и появившейся волны технологических приложений.

Квантовая криптография — это приложение, которое сегодня стало наиболее зрелым. В широком смысле существует два типа квантовой криптографии: один основан на индивидуальных квантовых системах, а другой — на квантовой запутанности.Предтечей является предложение Виснера о неподделанных квантовых деньгах [37]. По-видимому, в сообществе хорошо известно, что Виснер имел эти идеи уже в начале 1970-х годов, передавая их устно, по крайней мере, Чарльзу Беннету, но не имея возможности опубликовать статью. Это раннее предложение уже содержит некоторые важные особенности квантовой информации, такие как случайность отдельных событий измерения, кодируемых в сопряженных базисах, и, неявно, теорему о запрете клонирования, которая позже была наиболее элегантно формализована Вутерсом и Зуреком [38].Эти концепции также играют центральную роль в первом предложении Беннета и Брассарда о квантовой криптографии [39]. Интересно, что запутанность была основной фундаментальной квантовой концепцией, которая еще не содержалась в идее Визнера.

В версии квантовой криптографии, основанной на запутывании, используются идеальные корреляции в запутанных системах для установления безопасного ключа в двух местах одновременно (рисунок 13). Из-за запутывания ключ появляется на обоих расстояниях из-за корреляции между результатами измерений двух запутанных фотонов.Или, точнее, два измерения могут быть настолько удалены друг от друга, что никакая связь между ними не может установить ключ. После нашей реализации (рисунок 14) [40] мы узнали, что группы Пола Квиата [41] и Николаса Гизена [42] также были очень близки к публикации аналогичных результатов, поэтому мы отложили нашу публикацию, чтобы все три могли быть опубликованы. все вместе.

Наш эксперимент по квантовой криптографии обязан своим существованием проверке неравенств Белла, которую мы провели в Инсбруке.Идея этого эксперимента родилась очень просто. В первом эксперименте по проверке неравенства Белла [43] использовалась статическая установка. Это означало, что коммуникационная лазейка должна быть широко открыта. Поскольку настройки измерения были определены задолго до измерения, в принципе оставалась возможность обмена данными между измерительными станциями, например, по поводу настроек измерения, открывая возможность для местного реализма объяснять результаты. Первый эксперимент, закрывающий эту лазейку, был проведен Аспектом, Далибардом и Роджером [44] с периодически переключаемыми поляризационными измерениями.Меня увлекла идея использовать случайно переключаемые поляризаторы, которые переключаются непосредственно перед тем, как фотон прибывает на соответствующую измерительную станцию. Поскольку случайное переключение занимает больше времени, для этого потребовалось экспериментальное расстояние в несколько сотен метров. К счастью, у меня был выдающийся молодой экспериментатор Грегор Вейхс, который хотел поработать со мной над докторской диссертацией, и я дал ему этот проект. Еще более удачно, что в то время к нам в Инсбруке приезжал Ален Аспект, и в обсуждениях с Грегором он дал много мотивации для эксперимента.Результат [45] красиво нарушает неравенство типа Белла (рис. 15). В реализации источник запутанных фотонов находился в подвале под одной из библиотек Университета Инсбрука. Волоконно-оптические кабели двух фотонов проходили по подземным путям к разным местам: один к физическому зданию, а другой к зданию, где коллеги из Технического отдела тестировали эффект большого количества воды, стекающей по искусственным ущельям и рекам.Интеллектуальное напряжение между нашим небольшим экспериментом по изучению квантового мира и огромными экспериментами по изучению наводнений и плотин было весьма захватывающим.

Одним из самых больших сюрпризов в моей жизни было то, что однажды меня пригласили участвовать в dOCUMENTA (13). DOCUMENTA — одна из крупнейших выставок современного искусства. Он проходит каждые пять лет в Касселе. dOCUMENTA (13) проходила с 6 июня по 16 ноября 2012 года.

Приглашение пришло от Кэролайн Христов-Бакаргиев, куратора dOCUMENTA (13).На самом деле, она и ее помощник Чус Мартинес посетили меня летом 2011 года во время моего отпуска на озере Траунзее в Австрии. Мы втроем провели целый день, обсуждая основы квантовой механики, роль наблюдателя, квантово-классический переход, квантовую запутанность и т.д. не хочу отнимать время у моих молодых сотрудников у их исследований. Но на самом деле трое из моей команды вызвались добровольцами: Роберт Фиклер, Кристоф Шефф и Бернхард Виттманн.Поэтому мы решили провести пять экспериментов для установки в Fridericianum (рис. 16).

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 16. dOCUMENTA (13) в Fridericianum в Касселе. Квантовые эксперименты проводились в комнатах верхнего этажа, справа от центрального портика. Из-за центрального расположения наши эксперименты увидела большая часть из 860 000 посетителей dOCUMENTA.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Идея заключалась в том, чтобы показать фундаментальные явления, которые важны для понимания природы света и, в частности, его квантовых характеристик. Были показаны пять экспериментов:

• 1.

  интерференция волн в стекловолоконном интерферометре,

• 2.

  квантовая случайность на светоделителе,

• 3.

  эксперимент с двумя щелями ,

• 4.

  изменение состояния поляризатором,

• 5.

  квантовая запутанность и неравенство Белла.

Построение этих экспериментов было на самом деле очень интересным и преподало нам важный урок. Мы с самого начала решили проводить абсолютно реальные эксперименты, а не просто макеты или симуляции. Кроме того, мы построили их настолько просто, насколько это возможно, то есть из нескольких компонентов, достаточных для демонстрации реального явления. Позже мы узнали, что цель искусства — выразить как можно больше с минимальными усилиями.Крайний пример — «Черный квадрат» Малевича [46].

Мы также решили провести эксперименты так, чтобы по крайней мере два члена моей группы всегда присутствовали, чтобы убедиться, что все идет гладко, поговорить с посетителями, дать объяснения, ответить на вопросы и т. Д. И т. Д. На самом деле это было довольно необычно для художественной выставки, поскольку художники обычно не присутствуют постоянно. Когда я говорил об этом с Каролин Христов-Бакаргиев, она просто заявила, что мы, физики, будем участвовать в презентации.Всего у dOCUMENTA (13) было 860 000 посетителей. Мы предположили, что очень значительная часть из них прошла мимо наших экспериментов просто из-за центрального расположения нашей установки — и это тоже ощущалось!

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 17. Эксперимент с двумя щелями, как показано в dOCUMENTA (13): волна вероятности и обнаружение частиц. Свет, исходящий от лазера (внизу справа), отражался зеркалом по направлению к слайду.На этом слайде было два параллельных щелевых отверстия. За слайдом свет отражался вправо в камеру (большой серо-черный блок). Эта камера была способна обнаруживать однофотонные и регистрировать образцы проходящих фотонов. Нажав зеленую или красную кнопку, посетители могли открыть или закрыть одну из двух щелей. Посетителям было очевидно, что фотоны попадают в камеру индивидуально и каждый фотон составляет пятно. Для любого наблюдателя приход отдельного фотона кажется случайным.В итоге они образуют узор с полосками (вверху справа, показывает узор, когда обе прорези открыты). Фото: Лоис Ламмерхубер.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

В эксперименте с двумя щелями интенсивность лазерного света, проходящего через две щели, была уменьшена так, что каждый наблюдатель мог видеть на экране, что фотоны приходили индивидуально. Таким образом, за нарастанием интерференционной картины можно следить в реальном времени (рисунок 17).Эксперимент ясно показал, что такое явление интерференции можно понять, только если допустить, что распространение фотона через две щели регулируется волной вероятности и что фотоны приходят индивидуально на экран. Другими словами, этот эксперимент показывает, что свет проходит через щели в суперпозиции, проходя через правую щель и проходя через левую щель, но он регистрируется как отдельные кванты.

Самым сложным и сложным экспериментом была проверка неравенства Белла в реальной жизни во время DOCUMENTA (13).На рисунке 18 показан источник. Синий свет накачки попадает в кристалл в центре изображения, где генерируются запутанные пары красных фотонов (смоделированные). Затем каждый фотон попадает в стекловолокно. Один из них можно увидеть в центре справа на рисунке. Эти стеклянные волокна пропускают фотоны к двум независимым детекторным станциям, которые пространственно разделены и расположены на расстоянии нескольких метров. Фотоны, созданные в источнике, запутались в поляризации. Таким образом, измерения поляризации двух фотонов, проведенные Алисой и Бобом, смогли подтвердить их сцепление.Эксперимент был поставлен настолько стабильно, что мы действительно смогли получить нарушение неравенства Белла, когда мимо проходили буквально десятки посетителей. Это было большим достижением моих коллег Роберта Фиклера, Кристофа Шеффа и Бернхарда Виттмана. Существенную теоретическую помощь эксперименту с неравенством Белла оказал Билл Плик из моей группы. Один из экспериментов, проведенных вживую, был фактически первой прямой проверкой версии неравенства Белла Вигнера [47]. Этот результат, который до сих пор не опубликован, вероятно, является первым настоящим физическим экспериментом, проведенным на художественной выставке, который дает новый результат, не достигнутый ранее.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 18. Источник запутанных пар фотонов, использованный при проверке неравенства Белла в dOCUMENTA (13). Фото: Лоис Ламмерхубер.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

В dOCUMENTA ряд посетителей спрашивали о роли Эйнштейна в квантовой физике. Лично для меня вклад Эйнштейна, его критика и анализ квантовой физики света всегда были захватывающими.Хотя я, конечно, не согласен со всеми его выводами, его соображения сильно стимулировали мой интеллектуальный путь.

Когда Эйнштейн в 1905 году предложил концепцию частиц света [5], позже названных фотонами [48], он был довольно осторожен, говоря в названии об «эвристической точке зрения» и, очевидно, осознавая ее потенциальное концептуальное влияние. Его язык в статье подразумевает, что он рассматривал частицы света как реальные объекты. И в письме своему другу Хабихту он назвал эту газету «очень революционной» ¹ .По-видимому, он также осознавал тот факт, что идея частиц противоречит квантовой интерференции при низких интенсивностях. Сам Эйнштейн считал фундаментальные вопросы о природе света нерешенными, о чем свидетельствует его знаменитая цитата 1917 года:

Всю оставшуюся жизнь я хочу размышлять о том, что такое свет.

Это было в то же время, когда он закладывал основы теории лазера [49] и общих представлений о вынужденном и спонтанном излучении [50].

Я должен упомянуть, что статья Эйнштейна 1905 года, которая обычно представлена ​​как объяснение фотоэлектрического эффекта, на самом деле намного элегантнее. Его аргумент в первую очередь опирается на соображения энтропии. В частности, он отмечает, что энтропия светового поля в полости изменяется так же, как функция объема, как энтропия идеального газа в контейнере. Следовательно, утверждал он, поскольку энтропию газа можно понять с помощью частиц, поле излучения также должно состоять из частиц.

Статья Эйнштейна 1935 года, в которой вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном он вводит понятие запутанности в дискуссии об основах квантовой механики, вызвала очень интересный прием. Вначале его цитировали несколько раз, но затем его практически игнорировали, пока Джон Белл не обнаружил, что предсказания квантовой механики противоречат локальной реалистической теории. Это была точка зрения, изложенная в документе EPR. Позиция очень четко определена Альбертом Эйнштейном в 1947 году [51], где он сказал о квантовой теории:

Причина, по которой я не могу серьезно в это поверить, заключается в том, что теория не может быть согласована с принципом, согласно которому физика должна описывать реальность в пространстве и времени без жутких действий на расстоянии ² .

Целью данной статьи не является обсуждение тонкостей аргумента ЭПР, но достаточно сказать, что в том же году Эрвин Шредингер дважды воспользовался аргументацией ЭПР, сначала в своей статье в Naturwissenschaften [7 ] вводя Verschränkung , где он также предлагает парадокс кошки Шредингера, и, во-вторых, в статье для Кембриджского философского общества, вводящей запутанность [52], придуманное им понятие, о котором он говорит:

Я бы не назвал это , а скорее характерной чертой квантовой механики, той, которая заставляет ее полностью отходить от классических взглядов.

Самая современная позиция, которая напрямую ведет к сегодняшним приложениям запутанности, — это анализ запутанности Шредингером в терминах «каталогов ожиданий» [7]. Он отмечает, что когда две системы связаны, у нас есть только общий каталог ожиданий, но никогда не каталоги ожиданий для отдельных систем. Сегодня можно сказать, что когда максимально запутанная система находится в чистом состоянии, отдельные частицы находятся в смешанном состоянии.

Для Шредингера квантовое состояние или волновая функция — это просто представления каталогов ожиданий будущих экспериментальных результатов.Выражаясь современным языком, можно сказать, что запутанное состояние выражает четко определенную информацию о результатах совместных измерений запутанных систем, но информация для отдельных систем полностью не определена [53]. Можно увидеть, что это определение напрямую ведет к современным приложениям.

Примерно в то же время, когда я начал работать над квантовой запутанностью и просто из любопытства провел свои первые фундаментальные эксперименты, параллельно началось интересное развитие. Во-первых, появились предложения о том, что для вычислений откроется новая область, когда сам компьютер будет работать в соответствии с квантовыми правилами [54–57].И снова меня удивляет, что методы, которые мы разработали для запутывания более двух фотонов, стали важными для демонстрации некоторых основных процедур квантовых вычислений. Это стало возможным благодаря очень интересному развитию. Квантовые вычисления должны использовать взаимодействие между двумя квантовыми битами (кубитами). Таким образом, он должен использовать какой-то нелинейный элемент. На практике это невозможно для отдельных фотонов, потому что нелинейные эффекты, вносимые одним фотоном в любую среду, слишком малы, чтобы существенно изменить квантовое состояние другого фотона.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 19. Схематический чертеж, показывающий принцип очистки от перепутывания с использованием линейной оптики. Мы начнем с двух менее запутанных пар, общих для Алисы и Боба, которые накладывают свои фотоны на поляризационный светоделитель (PBS). Алиса и Боб оставляют только те случаи, когда в каждой выходной моде присутствует ровно один фотон. Затем определенные поляризационные измерения фотонов в a 4 и b 4 приводят к перепутанному состоянию, переходящему в две моды a 3 и b 3 с более высокой чистотой, чем исходные запутанные состояния.Процедура очистки запутывания необходима для будущих квантовых повторителей. Перепечатано с разрешения Macmillan Publishers Ltd: Nature [36], Copyright 2003. Подробности см. Там.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 20. Эксперимент, закрывающий лазейку для честной дискретизации для пар фотонов. Источник, основанный на спонтанном параметрическом понижающем преобразовании в ppKTP (периодически поляризованный титанилфосфат калия) в конфигурации Саньяка, производит запутанные поляризацией фотоны с длиной волны 810 нм.Настройка измерения осуществляется в каждом плече путем поворота полуволновой пластины на желаемый угол α ( β ) перед поляризатором кальцита. Фотоны, прошедшие через поляризатор кальцита (обычный выходной луч), спектрально фильтруются и попадают в оптическое волокно (SMF-28), которое подводит их к сверхпроводящим детекторам на переходном крае (TES) для обнаружения. Выходные сигналы от детекторов усиливаются СКВИДами и другой электроникой, а затем оцифровываются и обрабатываются алгоритмом, который идентифицирует фотоны и коррелированные по времени пары фотонов.Перепечатано с разрешения Macmillan Publishers Ltd: Nature [75], Copyright 2013.

Загрузить рисунок:

Стандартное изображение Изображение высокого разрешения

Важной идеей было [58], что измерение само по себе может обеспечить необходимый нелинейный элемент. Это потому, что проективное измерение нарушает унитарность квантовой эволюции. Наиболее важным понятием здесь является односторонний квантовый компьютер [59]. Это устройство, которое работает с комбинацией единых операций и измерений.Правильная последовательность унитарных операций и измерений реализует алгоритм в многокубитовой запутанной системе. Теперь интересно то, что такой квантовый компьютер может реализовать любой алгоритм, так что он является общим. В некотором смысле это реализация «Бесконечной библиотеки», изобретенной средневековым философом Раймундом Луллием ³ . Аргентинский писатель Хорхе Луис Борхес написал красивый рассказ, в котором объясняет, что Бесконечная библиотека содержит все книги, которые когда-либо были написаны, и все книги, которые когда-либо будут написаны, потому что она содержит книги со всеми возможными комбинациями букв [60].Ясно, что такая библиотека бесполезна, потому что найти один-единственный экземпляр, например, «Гамлета» Шекспира без каких-либо опечаток — задача такой же сложности, как и написание книги с самого начала. Но можно увидеть, что квантовое состояние одностороннего квантового компьютера делает именно это, потому что оно представляет все возможные решения. Продемонстрировав очистку запутанности [36, 61] и некоторые базовые квантовые вентили с использованием запутанных фотонов [62, 63], мы также смогли реализовать односторонние квантовые вычисления [64].

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 21. Нарушение местного реализма со свободой выбора. Экспериментальная установка. Эксперимент Bell проводился между островами Ла-Пальма и Тенерифе на высоте 2400 м. (Ла Пальма). Лазерный диод (LD) с длиной волны 405 нм накачивал периодически поляризованный кристалл титанилфосфата калия (ppKTP) в поляризационном интерферометре Саньяка для генерации запутанных пар фотонов в синглетном состоянии.Один фотон на пару был отправлен через спиральное одномодовое оптическое волокно (SMF) длиной 6 км к Алисе (расположенной рядом с источником). Анализатор поляризации Алисы состоял из полуволновых и четвертьволновых пластин (HWP, QWP), электрооптического модулятора (EOM), поляризационного светоделителя (PBS) и двух фотодетекторов ( D _T , D _R ). Квантовый генератор случайных чисел (QRNG _A ), расположенный на расстоянии 1,2 км, состоящий из светодиода (LED), светоделителя 50/50 (BS) и двух фотоумножителей (PM), генерировал случайные биты которые были отправлены Алисе через 2.Радиосвязь 4 ГГц. Случайные биты использовались для переключения EOM, определяя, был ли входящий фотон измерен при линейной поляризации 22,5 ° / 112,5 ° или 67,5 ° / 157,5 °. Блок временной привязки (TTU), который был привязан к стандарту времени глобальной системы позиционирования (GPS), компенсировал небольшие отклонения до 10 нс. Он записывал каждое событие обнаружения (время прибытия, канал детектора и информацию о настройках) на локальный жесткий диск. Другой фотон был направлен на передающий телескоп и отправлен по оптической линии связи в свободном космосе длиной 144 км к Бобу на Тенерифе.(Тенерифе) Входящий фотон был принят 1-метровым телескопом наземной оптической станции (OGS) Европейского космического агентства. В анализаторе поляризации Боба (запускаемом равным, но независимым генератором квантовых случайных чисел QRNG _B ) фотоны измерялись в горизонтальной (0 °) / вертикальной (90 °) или в линейной поляризации 45 ° / 135 °. Сбор данных Боба был эквивалентен сбору данных Алисы. (Географические снимки взяты из Google Earth, ^© Google, 2008, Картографические данные ^© 2008 Tele Atlas.) Воспроизведено с разрешения из [77].

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 22. Венский эксперимент без лазеек. (а) Схема установки. (b) Источник: источник распределил два запутанных поляризацией фотона между двумя идентично сконструированными и пространственно разделенными измерительными станциями Алиса и Боб (расстояние ≈58 м), где была проанализирована поляризация.В нем использовалось спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты типа II в кристалле с периодической полярностью (ppKTP), накачиваемом импульсным диодным лазером с длиной волны 405 нм (длина импульса: 12 нс на полувысоте) с частотой повторения 1 МГц. (c) Измерительные станции: на каждой измерительной станции для измерения было выбрано одно из двух направлений линейной поляризации, которое контролируется электрооптическим модулятором (EOM), который действует как переключаемый вращатель поляризации перед PBS (поляризационным светоделителем. ). Специальная электроника (ПЛИС) дискретизирует выходной сигнал генератора случайных чисел (ГСЧ) для запуска переключения EOM.Переданный выходной сигнал PBS вводился в оптоволокно и поступал на датчик переходной кромки TES. Сигнал TES усиливался SQUID и дополнительной электроникой, оцифровывался и записывался вместе с вариантами настроек на локальный жесткий диск. Лазер и вся электроника, связанная с переключением или записью, были синхронизированы с входами часов (Clk). Перепечатано с разрешения [79], Copyright (2015) Американского физического общества.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Наиболее интересной идеей в этом направлении исследований является концепция слепых квантовых вычислений.Проблема в том, что в будущей квантовой информационной сети клиент хочет использовать квантовый сервер, то есть квантовый компьютер, расположенный в центре, абсолютно безопасным способом. Условие состоит в том, что оператор сервера не только не имеет возможности узнать, какие данные использует оператор, но и что оператор не имеет представления о том, какую программу запускает клиент — играет ли клиент в игру или анализирует акции. рыночные данные. Ответ на первый вызов дает квантовая криптография.Решение второй проблемы было обнаружено Бродбентом и др. [65]. Преимущество состоит в том, что клиенту требуется лишь очень ограниченная квантовая вычислительная мощность. По сути, ему нужно только иметь возможность производить квантовые биты в произвольном состоянии и отправлять их на квантовый сервер. Квантовый сервер управляет всей мощью квантовых вычислений, то есть реализует любое унитарное состояние и создает любое запутанное состояние из кубитов, которые клиент отправляет ему. Клиент отправляет серию кубитов в произвольно меняющихся состояниях.Только он знает, в каком состоянии они находятся. Затем квантовый сервер запутывает эти кубиты, создавая сильно запутанное, так называемое состояние кластера. Это основное рабочее состояние одностороннего квантового компьютера. Затем клиент также сообщает квантовому серверу, какую последовательность измерений он должен выполнить над состоянием кластера, чтобы выполнить вычисление. Наконец, сервер сообщает клиенту результат измерения. Только клиент понимает, что означает результат измерения, потому что только он знает, в каком квантовом состоянии работал сервер.На очень простой первой демонстрации мы смогли показать, что основной принцип может быть реализован уже с четырьмя фотонами [66, 67].

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 23. Предложение по эксперименту «Космический колокол». Два телескопа наблюдают далекие объекты, например, два квазара. Случайные флуктуации света, получаемого от квазаров, используются для настройки поляризаторов в эксперименте с неравенством Белла.Эти квазары, вероятно, являются наиболее независимыми источниками случайности во Вселенной. Перепечатано с разрешения [82], Copyright (2014) Американского физического общества.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 24. Наблюдение запутывания очень больших угловых моментов. Слева: схематический эскиз установки.Поляризационная запутанность создается в процессе параметрического преобразования с понижением частоты (источник — овальное зеленое поле) и затем передается в режимы с высокими квантами OAM (настройка передачи — прямоугольные синие прямоугольники). На вставке (A) показана экспериментальная схема для одной из двух идентичных установок переноса, где фотон расщепляется поляризацией (PBS), а его пространственная мода преобразуется в моду Лагерра – Гаусса более высокого порядка с помощью пространственного модулятора света (SLM). Полуволновые пластины (HWP) в трактах обеспечивают оптимальную работу SLM, а выход отделен от входа.Поляризатор (синий) проецирует фотон на диагональную поляризацию и завершает передачу. Трехфазные узоры, l = 10 (B), l = 100 (C) и l = 300 (D), визуализируют возрастающую сложность структуры и ограничения из-за появления муарового узора из-за конечное разрешение ПМС. Из [89]. Печатается с разрешения AAAS.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 25. Связь в открытом космосе на большие расстояния с использованием состояний орбитального углового момента света. В городе Вена была установлена ​​трехкилометровая линия связи в открытом космосе от ZAMG (Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik, Центральный институт метеорологии и геодинамики) до нашего института IQOQI. Вверху: изображение юстировочного лазера от IQOQI до ZAMG, сделанное ZAMG. Слева: отправитель модулирует лазер с длиной волны 532 нм с помощью SLM. Показаны различные фазовые голограммы, которые модулируют луч. Справа: на приемнике наблюдаем передаваемые моды и записываем их на ПЗС-камеру.Изображения соответствуют модулированным фазам слева. Анализируя наблюдаемые изображения, мы характеризуем атмосферную стабильность режимов OAM и используем их для передачи реальной информации. (Географические снимки взяты из Google Earth, ^© Google, 2014, Cnes / Spot Image, DigitalGlobe.) Воспроизведено из [92] CC BY 3.0. Подробности смотрите там.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 26. Телескоп на наземной оптической станции (OGS), установленной на Тенерифе. В задней части телескопа можно увидеть приемную станцию ​​для запутанных фотонов, которая будет использоваться в эксперименте для проверки межконтинентальной квантовой связи в сотрудничестве с Китайской академией наук. Входящие фотоны с китайского спутника QUESS MICIUS принимаются телескопом и затем передаются через стеклянные волокна в детекторную установку. На снимке также изображен Джонни Хандштайнер, аспирант, работающий над проектом.Фото: Томас Хербст. Авторское право Австрийской академии наук.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Очевидно, что для реальных крупномасштабных приложений нужно иметь возможность создавать запутанные состояния из большего количества фотонов. В квантовом сообществе понимают, что квантовый компьютер, состоящий из более чем 40 кубитов, был бы слишком сложным для моделирования на классических компьютерах. Затем начинается что-то действительно интересное и новое.

В этом смысле интересно, что совсем недавно группе Цзянь-Вэй Пана в Китае удалось запутать до восьми фотонов друг с другом в двух разных независимых экспериментах [68, 69].Совсем недавно та же группа смогла продемонстрировать десятифотонную запутанность [70]. Развитие, которое обещает быть способным продвигаться к большему количеству фотонов и более высоким измерениям, было недавно реализовано в группе Мохамеда Буреннана [71]. Обзор многофотонной запутанности и интерферометрии см. В [72].

Многие протоколы квантовой связи, такие как версия квантовой криптографии на основе запутанности, квантовая телепортация и обмен запутанностями, основаны на квантовых корреляциях между удаленными запутанными состояниями.Учитывая важность роли квантовой механики в этих процедурах, остается важный вопрос: можно ли с уверенностью объяснить корреляции, наблюдаемые в реальном эксперименте, классическим способом? Ни один эксперимент не идеален, и ошибки измерения могут предоставить возможности для классических альтернативных интерпретаций. Это проблема лазеек в существующих экспериментах. Закрытие таких лазеек актуально не только с фундаментальной точки зрения, поскольку исключает классическое локальное реалистическое мировоззрение, но также актуально для безопасности различных протоколов квантовой связи.Причина в том, что, например, в квантовой криптографии, если корреляции не идеальны, нельзя быть уверенным в том, что подслушиватель, шпион, пользуется такой ситуацией, потому что влияние подслушивателя также могло бы ослабить корреляции. . Для проведения эксперимента без лазеек даже самый критический скептик должен признать, что эксперимент безопасен. Это потому, что нет места даже для неизвестного в настоящее время механизма, чтобы объяснить результаты местным реалистичным способом.Такой способ может обеспечить вторжение злоумышленнику в криптографическую ссылку.

Существует ряд различных лазеек, но три из них считаются более значительными, чем другие. Одна из них — лазейка в коммуникации. Он основан на предположении, что некоторая неизвестная связь между обеими сторонами, измеряющими запутанное состояние, может установить наблюдаемые корреляции в результатах измерения. Как упоминалось выше, эту лазейку можно исключить быстрым переключением, потому что любой классический сигнал ограничен скоростью света.

Лазейка, которую следует упомянуть второй, — это лазейка для честной выборки, иногда также называемая лазейкой для эффективности обнаружения, которую предложил Пирл [73]. Здесь предполагается, что природа действительно порочна. Ни один эксперимент не обнаруживает все частицы, испускаемые источником. Предположение об этой лазейке состоит в том, что в таких экспериментах существует неизвестный механизм, ответственный за тот факт, что часть обнаруженных событий подчиняется квантовой механике. Предполагается также, что если бы можно было обнаружить все события, то получилась бы классическая картина.Известно, что эту лазейку можно закрыть, если будет обнаружено более двух третей всех событий. Точное значение варьируется и зависит от выбранного протокола. Две трети просто указывают порядок величины двухчастичных двухбитовых корреляций. Если обнаруживается и наблюдается более высокая доля, нарушающая неравенство типа Белла, результаты уже не могут быть объяснены классически. Эта лазейка была впервые закрыта группой Вайнленда, используя атомы, расположенные близко друг к другу в ловушке [74].Что касается фотонов, то Марисса Джустина и ее коллеги из моей группы закрыли эту лазейку, используя сверхпроводники на переходном крае с высокой эффективностью обнаружения (рис. 20) [75]. В то же время Пол Квиат со своей группой [76] провел аналогичный эксперимент.

На мой взгляд, самая интересная в концептуальном плане лазейка — это лазейка со свободой выбора. Это связано с фундаментальными соображениями о возможных воздействиях в пространстве-времени. Предположение о свободе выбора гласит, что важно, чтобы настройки поляризаторов с обеих сторон не зависели от какого-то неизвестного общего события в их совместном прошлом, то есть в перекрытии обратных световых конусов событий измерения. .Первый эксперимент, закрывающий эту лазейку, был проведен Scheidl и др. (рисунок 21) [77]. Эксперимент исключил особый класс таких моделей, а именно то, что источник, испуская запутанную пару, также влияет на измерения. В этом эксперименте была закрыта и коммуникационная лазейка.

Были и другие эксперименты, закрывающие различные лазейки, но, учитывая ограниченное пространство и тот факт, что это личный аккаунт, я беру на себя смелость сосредоточиться на работах, непосредственно связанных с моей группой.В 2015 году прошла волна экспериментов без лазеек. Это кажется совпадением, но на самом деле все четыре группы знали о деятельности друг друга. Первый опубликованный эксперимент, который закрыл лазейку для коммуникации и честной выборки, был проведен группой Хэнсона в Техническом университете Делфта [32]. В ходе экспериментального эксперимента они использовали обмен сцеплениями, чтобы запутать два спина в алмазе, которые были разделены расстоянием в 1280 м. Спины были запутаны каждый с другим фотоном, и два фотона были доставлены на совместную измерительную станцию, где они были спроецированы в запутанное состояние.Таким образом, два спина также проецировались в запутанное состояние. Это прямое применение перестановки сцеплений, представленной выше. Преимущество состоит в том, что при этом состояния спинов наблюдались с высокой эффективностью. В своем эксперименте они наблюдали нарушение неравенства Белла с более чем двумя стандартными отклонениями.

Аналогичной стратегии придерживалась группа Вайнфуртера из Мюнхенского университета [33]. Они запутали два атома, сидящих в ловушках, разделенных расстоянием 396 м, опять же путем перестановки запутанности.Каждый атом испускал фотон, и они были предметом измерения состояния Белла, запутывая их и, следовательно, запутывая удаленные атомы. Эта группа также наблюдала нарушение более чем двух стандартных отклонений.

В декабре 2015 года было сообщено о двух экспериментах одновременно с использованием пар фотонов с понижающим преобразованием, испускаемых в процессе параметрического преобразования с понижением частоты. В эксперименте в NIST [78] фотоны имели длину волны связи 1550 нм и регистрировались быстрыми нанопроволочными детекторами.Расстояние между измерительными станциями составляло 185 м. В этом эксперименте было получено значение p , равное 5,9 × 10 ^-9 . Это статистическая вероятность того, что локальная реалистическая теория могла получить данные. Этот эксперимент был опубликован в том же выпуске Physical Review Letters, что и наш эксперимент, потому что группа NIST и наша группа согласились подать заявку одновременно и опубликовать наши статьи совместно. В нашем эксперименте (рисунок 22) [79] использовались фотоны с длиной волны 810 нм.Он был установлен на втором подвальном уровне Императорского замка в Вене, потому что там мы нашли тихую и стабильную среду, необходимую для проведения эксперимента. Измерительные станции Алисы и Боба были разделены почти 60 м. В нашем случае мы использовали сверхпроводящие детекторы с переходным краем, которые имеют почти 100% внутреннюю эффективность детектирования. Наконец, это привело к общей эффективности сбора приходящих фотонов, а общая эффективность сбора фотонов составила 78,6% и 76,2% для Алисы и Боба, соответственно.Видимость запутанных состояний составила 99%. Наблюдаемое нарушение неравенства Белла составило 11,5 стандартных отклонений, что привело к значению p , равному 3,7 × 10 ⁻³¹ . Ясно, что для такого небольшого значения p любые другие возможные систематические ошибки, вероятно, будут более значительными, чем статистические.

Все эти эксперименты актуальны с фундаментальной точки зрения. Они важны еще и потому, что доказывают, что безоговорочно безопасная квантовая криптография возможна.Кроме того, и это еще один интересный результат развития последних лет, появляется дополнительное приложение. Это основано на том факте, что в максимально запутанном состоянии измерения на одном члене пары полностью случайны. Это снова является следствием, как упоминалось выше, изречения Шредингера о том, что каталоги индивидуальных ожиданий не определены должным образом или, говоря современным языком, состояния отдельных запутанных частиц максимально смешаны. Это можно увидеть, отследив один из двух фотонов из максимально запутанного состояния.Теперь это будет использоваться и применяться для создания «маяка случайности» — проекта Национального института стандартов и технологий NIST [80, 81]. Идея состоит в том, чтобы создать пары запутанных фотонов. Один из них рассчитан только на то, чтобы служить спусковым крючком. Таким образом, каждый знает, что был создан другой фотон. Измерение поляризации или другое подходящее измерение последовательности этих фотонов дает последовательность случайных чисел. Такие числа имеют важное применение во многих алгоритмах. Например, они могут также использоваться для цифровой подписи документов.NIST намерен публиковать эти непрерывные последовательности в Интернете.

Лазейкой, которая выиграет от большего количества тестов в будущем, является лазейка свободы выбора. До сих пор он был протестирован только по довольно ограниченным причинам в общем прошлом обоих детекторов. Поэтому можно спросить, каковы могут быть наиболее независимые возможные источники случайности, у которых вообще не было возможности взаимодействовать или общаться друг с другом. Поэтому нужно искать космические источники, которые сильно удалены друг от друга.Конкретная возможность — это квазары, расположенные на противоположных крайних точках Вселенной (рисунок 23) [82]. Оказывается, что если источники находятся достаточно далеко, их обратные световые конусы не имеют причинного перекрытия после окончания космической инфляции [83]. Сама инфляция разбавляет любую исходную информацию о периоде Большого взрыва примерно в 10 ⁻⁴⁰ раз. Такие источники случайности были бы довольно независимыми.

Первый тестовый эксперимент Cosmic Bell был проведен недавно [84].В этом эксперименте в Вене использовались два телескопа, указывающих на звезды в нашей галактике Млечный Путь. Источник запутанных фотонов был удален от одной измерительной станции на 557 м, а от другой — на 1149 м. Колебания цветового спектра, полученного от двух звезд, служили для установки соответствующего измерения поляризации. Этот эксперимент позволил отодвинуть на ~ 600 лет самое последнее время, к которому любой локальный реалистичный эффект мог повлиять на наблюдаемое нарушение Белла. Этот эксперимент создает основу для дальнейших экспериментов, проводимых с большими телескопами, направленными на квазары.Концептуальные обсуждения, относящиеся к такого рода экспериментам, см. В [84] и ссылки в ней.

До сих пор мы обсуждали эксперименты по квантовой коммуникации и корреляции, в которых фотоны определяются только как системы с двумя состояниями. Важная задача — выйти за рамки этого ограничения. Это можно сделать, используя системы состояний с более высокой размерностью для одиночных фотонов. По сути, есть две возможности. Одна из этих возможностей заключается в использовании многомодовой связи, то есть многих пространственных одномодовых состояний или многих частотных режимов аналогичным образом, как это делается в классической связи.В одном из таких примеров [85] мы использовали оптоволоконные и встроенные интегрированные технологии, что является стандартом в сегодняшней телекоммуникационной отрасли. Используя эти методы, мы явно реализовали все возможные унитарные операции для двух запутанных кутритов, которые образуют девятимерную квантовую систему.

Другая отличная возможность использует преимущества состояний орбитального углового момента [86], которые обеспечивают дискретное гильбертово пространство в принципе бесконечной размерности. Как только вышла статья Аллена и др. , возникла дискуссия о том, могут ли создаваемые таким образом состояния орбитального углового момента быть запутанными.В частности, был даже эксперимент, предполагающий, что орбитальный угловой момент не сохраняется в процессе преобразования с понижением частоты [87]. Как всегда, это вызвало у меня любопытство, и мы смогли показать, что в процессе не только сохраняется орбитальный угловой момент, но и что возникающие состояния действительно запутаны [88]. Результат открыл новые возможности для изучения запутанности в очень больших измерениях. Для этого эксперимента нам снова пришлось изобрести необходимые инструменты. В частности, никто не знал, как идентифицировать произвольные состояния OAM отдельных квантов света, включая их суперпозиции.Решения, которые мы нашли, как всегда, были довольно простыми, просто подходящая комбинация фазовых модуляторов и одномодовых волокон, поддерживающих распространение одной гауссовой моды [88].

Хочу отметить еще один приятный сюрприз: статья, демонстрирующая запутанность мод орбитального углового момента, стала одной из моих самых цитируемых статей [88]. И снова, что очень любопытно, произошло кое-что интересное. Я отказался от работы со состояниями OAM из-за ограниченных ресурсов в моей группе и даже перестал следить за литературой в этой области.Некоторое время спустя меня пригласили на конференцию по состояниям OAM, и, к моему большому удивлению, я увидел, что там возникло очень активное поле. Таким образом, в моей группе я заинтересовался тем, чтобы еще раз вернуться к этим темам, особенно сосредоточив внимание на более высоких измерениях. В ходе этого обновленного исследования мы смогли продемонстрировать некоторые очень интересные особенности. В одном эксперименте мы продемонстрировали, что очень высокие квантовые числа могут быть связаны друг с другом. В нашем первом эксперименте такого рода (рис. 24) [89] мы смогли продемонстрировать запутанность фотонов, несущих +300 ħ и −300 ħ единиц углового момента.В более позднем эксперименте мы распространили это на квантовые числа выше 10 000 [90].

Вопрос о том, насколько большими могут быть квантовые числа, сцепленные друг с другом, иногда рассматривается как связанный с квантово-классическим переходом. Наши эксперименты показывают, что даже для очень больших квантовых чисел кубит все еще может существовать, и это ограничение носит скорее практический, чем принципиальный характер.

Интересен еще один несколько похожий, но независимый вопрос.Сколько квантовых состояний может быть запутано одновременно между двумя частицами? Например, в обычном эксперименте Белла только с двумя состояниями оба фотона являются кубитами, то есть определены в двумерном гильбертовом пространстве, аналогично в исходном состоянии GHZ фотоны также являются кубитами. В нашем эксперименте, чтобы показать запутанность между многими измерениями [91], мы снова использовали состояния орбитального углового момента, где каждый фотон был определен в гильбертовом пространстве с размерами намного больше 100. Каждый фотон был не просто кубитом, но имел амплитуду более чем 160 дискретных размеров.Подробнее см. [91]. Разработав новый свидетель запутанности, мы смогли подтвердить, что по крайней мере 100 измерений каждого фотона были запутаны по крайней мере со 100 измерениями другого фотона. Очевидно, что этот эксперимент и тот, который только что упоминался ранее, открывают приложения, использующие большие размеры для фотонов, которые несут более одного бита информации. Это может быть важно в будущих сетях квантовой связи.

Другой вопрос: можно ли использовать такие состояния орбитального углового момента в более высоких измерениях для связи на большие расстояния.Опять же, в литературе приводились аргументы, что это невозможно (см. Ссылки в [92]). Стандартный аргумент заключался в том, что флуктуации в атмосфере будут возмущать волновые фронты этих состояний таким образом, что их уже нельзя будет идентифицировать на расстояниях, превышающих примерно 1 км. Это снова бросило нам вызов, и мы придумали метод, использующий суперпозицию состояний углового момента, которые обладают характеристиками, особенно связанными с особенностями мод. Вопреки непосредственной интуиции, есть свойства суперпозиций, которые более устойчивы к атмосферным флуктуациям, чем сами состояния.Недавно нам удалось продемонстрировать, что такая классическая связь действительно возможна на расстоянии 3 км (рисунок 25) [92].

В то время как только что упомянутый эксперимент подтверждает, что классическая связь возможна с использованием этих кольцевых режимов, совсем недавно мы смогли продемонстрировать, что даже запутанные состояния таких фотонов выживают при передаче по каналу в свободном пространстве через густонаселенную область город Вена [93]. Очевидно, что такие эксперименты открывают новые идеи коммуникации, особенно в сочетании с заменой запутанности и используемых в квантовых повторителях.Еще совсем недавно в экспериментальном эксперименте мы продемонстрировали классическую связь с состояниями OAM на расстоянии более 143 км между Ла-Пальмой и Тенерифе [94]. Вид в зрительную трубу см. На рис. 26.

Теперь мы можем вернуться к Альберту Эйнштейну и его вышеупомянутому вопросу: что такое свет? В конце своей жизни Эйнштейн дал свое собственное резюме [95].

Все пятьдесят лет сознательного размышления не приблизили меня к ответу на вопрос: «Что такое световые кванты?» Конечно, сегодня каждый негодяй думает, что знает ответ, но он обманывает себя ⁴ .

Естественно, сегодня можно было бы сказать, что кванты света — это квантованные возбуждения электромагнитного поля, но очевидно, что Эйнштейн хотел более глубокого объяснения. Возвращаясь к истокам квантовой физики, интересно узнать, что новые идеи, очевидно, часто трудно принять. Поразительным моментом в этом случае является предложение, написанное Планком, Нернстом, Рубенсом и Варбургом о членстве Эйнштейна в Прусской академии наук. После аргументов, почему Эйнштейна следует назначить в Прусскую академию, говорится:

Тот факт, что в своих рассуждениях он иногда заходил слишком далеко, например, в гипотезе световых квантов, не следует слишком сильно возражать против него, потому что, не рискуя иногда даже в самых точных естественных науках, нет реального инновация может быть введена ⁵ .

Помимо того, что, возможно, заставляет нас улыбнуться сегодня, это также содержит послание большой надежды для науки. Это письмо было написано в 1913 году, а в 1922 году Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию именно за эту идею. Этот факт, а именно то, что ученые могут отказаться от фундаментальных сильных позиций перед лицом доказательств, является одной из сильных сторон проведения научных исследований и одной из его самых полезных и приятных черт.

Хотя критика Эйнштейном квантовой механики в различных случаях оказывалась неверной, особенно в его критике случайности и запутанности, ему следует отдать должное за то, что подчеркнул эти интересные особенности квантовой механики.Я уверен, что ему понравилось бы, что эти концепции, которые ему не нравились, теперь привели к интересным приложениям. В конце концов, его первая должность была в Швейцарском патентном ведомстве, и там он даже запатентовал некоторые собственные изобретения.

Как я уже упоминал в начале, я был очень удивлен, когда эти приложения появились в результате таких фундаментальных вопросов. Подобные разработки продолжали удивлять нас на протяжении всей истории физики.

В целом можно спросить, что мы узнали из этих многочисленных экспериментов, и есть ли общая «мораль», которую можно найти в очень личной истории, которую я представляю в этой статье.Когда мне, более 40 лет назад, посчастливилось начать работать над основами квантовой механики, это было просто из любопытства. Я изучил квантовую механику по очень хорошим и интересным учебникам, доступным в то время. Это исследование было восхитительным, потому что невероятная математическая красота квантовой теории оказала на меня глубокое влияние. Параллельно меня впечатлила невероятная математическая точность, с которой теория подтверждалась множеством экспериментов. Но было два момента, которые привлекли мое внимание и вызвали еще больший интерес.

Во-первых, было наблюдение, что, похоже, не существует консенсуса относительно интерпретации квантовой теории. Под этим я имею в виду не интерпретацию в смысле интерпретации Борна, которая связывает теоретические предсказания с экспериментальными наблюдениями, а скорее интерпретацию того, что это может означать для нашего взгляда на мир (Weltanschauung) или, может быть, даже для нашей позиции в мире. мир (обсуждение см. в [96]). Во-вторых, было очень мало экспериментальных доказательств для подтверждения предсказаний квантовой механики для отдельных частиц или отдельных квантовых систем, таких как суперпозиция для отдельных частиц или квантовая запутанность и т. Д.

Таким образом, я погрузился в подробное изучение прогнозов для отдельных систем, и я считаю, что мне очень повезло, потому что я работал в группе Гельмута Рауха в Вене, меня вдохновили следовать этим идеям и я смог постепенно перейти к эксперименты по основам квантовой механики. В то время были довольно разрозненные взгляды на интерпретацию и значение квантовой физики для отдельных систем. Я до сих пор помню, что, когда я рассказывал о некоторых нейтронных экспериментах (которые были инициированы Гельмутом Раухом), даже известные высокопоставленные члены сообщества подходили к нам и выражали свое удивление: «суперпозиция действительно работает таким образом, частица на частицу. ? ‘ Я ответил: «А чего еще вы ожидали?»

В то время существовали значительные разногласия, например, о том, описывает ли квантовая механика отдельные системы или только статистические ансамбли, какова роль окружающей среды или что на самом деле подразумевает квантовая нелокальность.Опыт многих групп по всему миру с множеством квантовых явлений для отдельных систем также привел к гораздо лучшему пониманию фундаментальных вопросов квантовой механики. Сейчас общепринято и понятно, что природу нельзя описать локально, что запутанность является фундаментальной частью нашего описания мира, что существует объективная случайность и многое другое. Точка зрения о том, что квантовая физика описывает поведение отдельных квантовых систем, если ее рассматривать правильно, получила широкое признание.Мы также намного лучше понимаем роль окружающей среды и декогеренции, и многие новые явления были обнаружены на фундаментальном уровне. Для многих сейчас появляется точка зрения, согласно которой информация играет очень фундаментальную роль в понимании квантовой механики. Я лично считаю это подтверждением и дальнейшим развитием Копенгагенской интерпретации квантовой механики, выраженной, например, Вернером Гейзенбергом, который сказал, что квантовое состояние является представлением наших знаний, и Эрвином Шредингером, который в своей знаменитой статье 1935 года о Современная ситуация в квантовой механике [7] говорит о квантовом состоянии, представляющем каталоги ожидания.Обсуждение некоторых вопросов см. В [97, 98]. Но, видимо, дискуссия еще не исчерпана, о чем свидетельствует, например, [99].

Как уже упоминалось выше, к большому удивлению всех, кому посчастливилось рано вступить в эту область, появились заявки, выходящие за рамки всех наших самых смелых мечтаний в то время. Я лично считаю, что существует очень большая вероятность того, что когда-нибудь квантовые информационные технологии заменят традиционные информационные технологии, если не полностью, то в значительной степени.

Типичный наиболее интересный недавний пример — появление квантовых экспериментов в космическом масштабе [100]. В 2016 г. первый квантовый спутник был запущен Китайской академией наук [101]. Конкретное видение будущего — это всемирный квантовый Интернет, где наземные станции напрямую подключаются к квантовым каналам связи с помощью стеклянных волокон, а также на больших расстояниях и между континентами через квантовые спутниковые сети.

Конечно, никто в первые дни экспериментов с отдельными системами для проверки основ квантовой механики не имел даже малейшего представления о том, что сегодня во всем мире существуют огромные группы, в которых, возможно, тысячи ученых работают над возможными приложениями.Это еще раз является подтверждением модели, очень часто наблюдаемой в истории физики или науки в целом. Самые глубокие и важные приложения можно найти не путем поиска приложений, а путем проведения фундаментальных исследований и, таким образом, открытия совершенно новых дверей.

В заключение я хотел бы подчеркнуть, что для меня большая честь иметь возможность работать над такими вопросами. Результаты, которых я добился с моей группой, были бы невозможны без множества молодых и энергичных умов (аспирантов и дипломантов, а также молодых постдоков), с которыми я мог работать в течение многих лет.Всем им принадлежит заслуга в этих достижениях.

Как я упоминал в начале, эта статья представляет собой отчет о моем личном пути. Я прошу понять, что из-за такой направленности статьи и, конечно же, из-за ограниченного пространства, невозможно включить даже самые красивые и важные достижения многих групп и коллег со всего мира. Стать частью такого вдохновляющего международного сообщества — еще одна привилегия в моей жизни.

Эта работа на протяжении многих лет поддерживалась многими учреждениями, в первую очередь Австрийским научным фондом, Европейской комиссией, Европейским космическим агентством, Австрийским агентством содействия исследованиям, Национальным научным фондом США и многими другими.

Исследователи Стивенса создают запутанные фотоны в 100 раз эффективнее, чем это было возможно ранее

(Хобокен, штат Нью-Джерси — 17 декабря 2020 г.) — Сверхбыстрые квантовые компьютеры и устройства связи могут произвести революцию в бесчисленных аспектах нашей жизни — но сначала, исследователям нужен быстрый и эффективный источник запутанных пар фотонов, которые такие системы используют для передачи и управления информацией. Исследователи из Технологического института Стивенса сделали именно это, создав источник фотонов на основе чипа, в 100 раз более эффективный, чем это было возможно ранее.Эта работа делает возможной массовую интеграцию квантовых устройств.

«Долгое время подозревали, что это возможно в теории, но мы первые, кто продемонстрировал это на практике», — сказал Юпин Хуанг, доцент кафедры физики Галлахера в Стивенсе и директор Центра квантовой науки и техники.

Для создания фотонных пар исследователи улавливают свет в тщательно вылепленных наноразмерных микрополостях; когда свет циркулирует в полости, его фотоны резонируют и расщепляются на запутанные пары.Но есть загвоздка: в настоящее время такие системы крайне неэффективны, требуя потока входящего лазерного света, состоящего из сотен миллионов фотонов, прежде чем одна запутанная пара фотонов неохотно вытечет на другой конец.

Хуанг и его коллеги из Stevens разработали новый источник фотонов на основе микросхемы, который в 100 раз более эффективен, чем любое предыдущее устройство, и позволяет создавать десятки миллионов запутанных пар фотонов в секунду из одного лазерного луча мощностью микроватт.

«Это огромная веха для квантовых коммуникаций», — сказал Хуанг, работа которого сегодня опубликована в выпуске Physical Review Letters от 17 декабря.

Работая с аспирантами Стивенса Чжаохуэй Ма и Цзяян Ченом, Хуан на основе предыдущих исследований своей лаборатории вырезал микрополости чрезвычайно высокого качества в хлопьях кристаллов ниобата лития. Полости в форме беговой дорожки внутренне отражают фотоны с очень небольшой потерей энергии, что позволяет свету дольше циркулировать и взаимодействовать с большей эффективностью.

Путем точной настройки дополнительных факторов, таких как температура, команде удалось создать беспрецедентно яркий источник запутанных пар фотонов. На практике это позволяет производить пары фотонов в гораздо больших количествах при заданном количестве падающего света, резко снижая энергию, необходимую для питания квантовых компонентов.

Команда уже работает над способами дальнейшего совершенствования своего процесса и заявляет, что вскоре ожидает достижения истинного Святого Грааля квантовой оптики: системы, которая может превратить одиночный входящий фотон в запутанную пару исходящих фотонов, практически без каких-либо ограничений. тратить энергию попутно.«Это определенно достижимо, — сказал Чен. «На данный момент нам просто нужны постепенные улучшения».

До тех пор команда планирует продолжать совершенствовать свою технологию и искать способы использования источника фотонов для управления логическими вентилями и другими компонентами квантовых вычислений или связи. «Поскольку эта технология уже основана на микросхемах, мы готовы начать масштабирование за счет интеграции других пассивных или активных оптических компонентов», — пояснил Хуанг.

По словам Хуанга, конечная цель — сделать квантовые устройства настолько эффективными и дешевыми в эксплуатации, чтобы их можно было интегрировать в основные электронные устройства.«Мы хотим вывести квантовые технологии из лаборатории, чтобы они приносили пользу каждому из нас», — пояснил он. «Когда-нибудь скоро мы хотим, чтобы в рюкзаках детей были квантовые ноутбуки, и мы прилагаем все усилия, чтобы это стало реальностью».

— Стивенс —

О Технологическом институте Стивенса

Технологический институт Стивенса — ведущий частный исследовательский университет, расположенный в Хобокене, штат Нью-Джерси. С момента нашего основания в 1870 году технологические инновации были отличительной чертой образования и исследований Стивенса.В трех школах и одном колледже университета 7300 студентов и аспирантов тесно сотрудничают с преподавателями в междисциплинарной предпринимательской среде, ориентированной на студентов. Академические и исследовательские программы, охватывающие бизнес, вычислительную технику, инженерию, искусство и другие дисциплины, активно расширяют границы науки и используют технологии для решения наших самых насущных глобальных проблем.