Как запутать и распутать свет

Российские ученые смогли запутать свет, а затем его распутать

Отдел науки 12.10.2015, 23:34
Российский квантовый центр

Запутать свет, разделить его фотоны по разным каналам и распутать снова удалось российским ученым. Они надеются, что в будущем такие системы смогут использоваться для защиты информации.

Ученые из Российского квантового центра под руководством профессора Александра Львовского разработали метод восстановления квантовой запутанности и проверили его в эксперименте — это исследование значительно расширяет возможности квантовой связи и квантовой криптографии. Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Nature Photonics. В коллектив авторов вошли также ученые из Московского физико-технического института (МФТИ) и Физического института Академии наук (ФИАН).

Феномен квантовой запутанности (или квантовой корреляции), при котором состояния двух или нескольких объектов — атомов, фотонов, ионов — оказываются связаны, является основой современных квантовых технологий. Это явление, в частности, играет важную роль в системах защищенной квантовой связи —

такие системы полностью исключают возможность незаметной «прослушки».

Однако запутанные состояния очень хрупки, они легко разрушаются при передаче из-за помех и оптических потерь. Кроме того, само создание запутанности — очень непростой процесс, он требует сложных экспериментальных установок. Поэтому возможности передачи квантовой информации сильно ограничены: существующие установки позволяют передать данные на расстояние не более 100 км. Многие научные группы сейчас ищут способы увеличить это предельное расстояние — без них возможности практического применения квантовых технологий крайне ограниченны.

Группа под руководством Львовского провела в лаборатории квантовой оптики в Российском квантовом центре серию экспериментов, в результате которых им удалось восстановить уровень квантовой корреляции между импульсами света в двух оптических волокнах, которая была почти полностью разрушена после прохождения через канал с 20-кратными оптическими потерями.

Эта искусственная преграда соответствовала уровню потерь в 65 км обычного оптоволоконного кабеля.

В качестве источника запутанных фотонов в эксперименте использовался нелинейный кристалл титанил-фосфата калия с периодической доменной структурой. Его «обстреливали» пикосекундными импульсами света, которые генерировал титаново-сапфировый лазер. В результате в кристалле рождались запутанные пары фотонов, которые ученые отправляли в два разных оптических канала. В одном из них свет подвергался 20-кратному ослаблению с помощью затемненного стекла, в результате чего уровень запутанности падал почти до нуля.

После этого физики подвергали этот канал особой процедуре усиления, восстанавливающей квантовые свойства света до близких тем, которые имели место до потерь. Эта процедура заключается в смешивании светового импульса в канале со «вспомогательным» одиночным фотоном на светоделительной пластине (частично пропускающем свет зеркале). На одном из выходов светоделителя ставился детектор одиночных фотонов.

Если этот детектор «щелкает», это означает, что фотон как вошел в светоделитель, так и вышел. Казалось бы, состояние второго входного импульса светоделителя — того самого, который составляет часть запутанного состояния, — не должно было измениться. Но в силу парадоксальных свойств квантовой интерференции это состояние меняется в сторону «усиления» его квантовых свойств.

Это явление, открытое Львовским и коллегами еще в 2002 году, было названо ими квантовым катализом, потому что «вспомогательный» фотон, подобно химическому катализатору, сам в реакции не участвует, но меняет состояние света в другом канале.

«В то время это явление выглядело не более чем курьезным феноменом, каковых в квантовой физике множество. Теперь же оказалось, что оно имеет важное практическое применение — оно позволяет восстановить запутанность квантовых состояний света», — говорит Львовский.

По его словам, эта работа — шаг к созданию квантового повторителя — устройства, способного восстанавливать потери квантовой информации при передаче по оптоволоконным линиям связи. В перспективе это позволит создать глобальные системы передачи квантовых данных и снимет ограничения для квантовой криптографии.

«Конечно, за восстановление запутанности приходится платить — из миллиона слабо запутанных пар фотонов получается одна сильно запутанная. Но при этом уровень корреляции восстанавливается до первичного, и, хотя скорость передачи данных несколько снижается, мы можем получить устойчивую связь на значительно большем расстоянии», — говорит соавтор исследования Александр Уланов.