Цивилизация
Российские ученые описали электромагнитное излучение оптического и терагерцового диапазона частот, рождающееся в процессе параметрического рассеяния света. Также они показали возможность управления характеристиками квантовых оптико-терагерцовых полей с использованием прибора (нелинейного интерферометра), действие которого основано на явлении интерференции волновых функций фотонов во времени и пространстве. Ранее терагерцовое излучение, использующееся в диагностике и системах безопасности, практически не рассматривалось с точки зрения квантовых технологий. О проделанной работе ученые рассказали на страницах журнала Physical Review A. Исследования поддержаны грантом Российского научного Фонда.
Терагерцовое излучение — это электромагнитные волны, частота которых лежит между инфракрасным и сверхвысокочастотным (СВЧ) диапазонами. В отличие от рентгеновского, такое излучение неионизирующее, поэтому не наносит вреда тканям организма и применяется в медицинской диагностике и системах безопасности, а также используется при контроле качества оборудования и реставрации произведений искусства.
Однако в терагерцовом диапазоне частот до сих пор не проводились исследования процессов, которые способствуют появлению излучения в квантовых состояниях. Одним из таких процессов является параметрическое рассеяние света. В ходе этого оптического явления один фотон с высокой энергией преобразуется в бифотонную (состоящую из двух частиц) пару так называемых запутанных фотонов. Квантовые состояния этих частиц статически зависят друг от друга (коррелируют друг с другом), оставаясь взаимосвязанными даже на большом расстоянии. Таким образом, воздействуя на один фотон, можно обнаружить изменение состояния и его партнера. Эта технология широко применяется в квантовом шифровании, а также при создании квантовых компьютеров и сенсоров. Обычно частоты двух фотонов, образовавшихся при параметрическом рассеянии света, находятся в одном диапазоне. Однако физики из МГУ имени М. В. Ломоносова изучили случай, когда взаимодействовать между собой в паре и быть статистически зависимыми друг от друга могут видимый фотон и фотон, частота которого почти в тысячу раз меньше. Эта частота лежит в терагерцовом диапазоне, соответственно и сам фотон — терагерцовый, а первый фотон из пары — оптический. Ученым удалось описать уравнениями поведение фотонов в этой паре и получить решение, учитывающее такие факторы, как тепловые шумы, угловая расходимость и поглощение волн внутри кристалла, в котором и создается бифотонное поле. Кроме того, исследователи подобрали наиболее подходящие условия, при которых удобнее всего наблюдать квантовое бифотонное состояние оптического и терагерцового фотонов.
В своей следующей статье авторы дополнили теорию экспериментальными данными, показав на практике возможность управления спектральными и пространственными свойствами оптико-терагерцовых полей с использованием нелинейного интерферометра Маха-Цендера. Принцип его работы заключается в явлении квантовой когерентности, то есть коррелированности частиц системы. Она возникает при «перепутывании» холостых фотонов (не идущих на детектор), которое проявляется в появлении интерференционной картины в распределении видимых фотонов.
«Подобные интерферометры могут быть использованы для исследования свойств различных материалов в терагерцовом диапазоне частот. Ключевой момент метода заключается в том, что информацию о дисперсионных свойствах проще извлечь из измерений в оптическом канале, так как между оптическими и терагерцовыми фотонами существует сильная корреляция. Рассматриваемый интерферометр — перспективный источник терагерцовых полей с новыми характеристиками, а интерференционные эффекты могут быть полезны для разработки сенсоров в терагерцовом частотном диапазоне», — рассказывает Галия Китаева, один из авторов статьи, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор физико-математических наук, профессор физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.
