На Физическом факультете МГУ имени М.В. Ломоносова разработали метод, позволяющий создавать сразу два пучка спутанных фотонов и измерять задержку между ними. Результаты этого исследования могут использоваться в высокоточных измерениях, изучении материалов и информационных технологиях.

В 1966 году профессор кафедры Квантовой электроники Физического факультета МГУ Давид Николаевич Клышко открыл эффект параметрического рассеяния света, за что позднее он и его коллеги получили Государственную премию СССР. Это открытие стало началом квантовой оптики, популярного сегодня раздела физики, изучающего квантовые свойства света. Эффект довольно прост: приходящий в кристалл фотон распадается на два других фотона, сумма частот которых при этом равна первоначальной. Важно, что этот процесс может наблюдаться только в нелинейных кристаллах, в которых частота фотонов может изменяться в процессе рассеяния.

Обнаруженный эффект нашёл применение во множестве областей: исследовании самих кристаллов, измерении эффективности фотодетекторов и, собственно, в квантовой оптике: были продемонстрированы удачные опыты в области квантовой криптографии, квантовых вычислений, а также красивый эффект квантовой телепортации. Суть её состоит в том, что рождающиеся фотоны оказываются в спутанном состоянии: при измерении поляризации одного фотона квантовое состояние поляризации второго обязательно изменится. Изменение свойств одного фотона «чувствуется» другим моментально, правда, считается, что информацию таким способом передавать невозможно.

В недавнем эксперименте учёные МГУ под руководством ведущего научного сотрудника кафедры Квантовой электроники Физического факультета МГУ Марии Чеховой попробовали генерировать не отдельные пары спутанных фотонов, а сразу два мощных пучка из их пар.

«В этом случае у нас коррелируют между собой не отдельные фотоны, а целые пучки. И возникает вопрос: с какой точностью? — рассказал один из авторов работы Павел Прудковскй. — Если мы задержим один пучок, вопрос сведётся к тому, насколько надо его задержать, чтобы мы могли заметить рассогласование».

Для ответа на этот вопрос учёным предстояло заставить фотоны разных частот не разлетаться под разными углами из кристалла, а формировать два направленных пучка света и лететь вместе, параллельно друг другу. Чтобы получить их, кристалл ниобата лития, который обычно используется в таких экспериментах, пришлось выращивать с определённой структурой: наводить в нём дополнительную апериодическую, заранее рассчитанную решётку доменов.

В ходе эксперимента учёные заставили один из двух спутанных пучков фотонов немного задержаться, проходя дополнительный путь, после чего оба пучка попали во второй кристалл — обычный ниобат лития. 

«В этом кристалле происходит сложение частот фотонов, и если пучки приходят синхронно, сложение происходит эффективнее, чем в других случаях, — пояснил Прудковский. — В результате мы получаем узкий пик в сигнале суммарной частоты. И ширина этого узкого пика — 90 фемтосекунд (10⁻¹⁵ с) — и есть главное достижение».

Таким образом, физикам удалось экспериментально зарегистрировать почти минимальный сдвиг между пучками-близнецами спутанных фотонов, который только можно зафиксировать приборами. Ещё уменьшить эту величину можно, но для этого необходимо усложнить схему эксперимента. «Пока 90 фемтосекунд — это рекордная величина, но она может быть меньше, и мы знаем, что для этого необходимо сделать»,— заключил Прудковский. По его словам, поскольку период волны лазерного излучения составляет единицы фемтосекунд, есть возможность уменьшить продолжительность этой задержки и довести её до десятка фемтосекунд.

Результаты исследования пригодятся в разработке зашифрованных каналов связи, устойчивых к вмешательству и «прослушке». При попытке перехватить пучок спутанных фотонов злоумышленнику так или иначе придется его задержать, однако это вмешательство не останется незамеченным. Помимо этого, регистрация задержки двух квантово-запутанных пучков может найти применение в определении очень слабых, едва уловимых примесей в веществах.

Статья опубликована в журнале Optics Letters.