Обратимость времени помогла создать сверхточную «квантовую линейку»

Обратимость времени помогла создать сверхточную «квантовую линейку»

Физики из Российского квантового центра, МФТИ, ФИАН и Института оптики (Париж) разработали методику получения особых запутанных многофотонных состояний. Как сообщает пресс-релиз РКЦ, поступивший в редакцию N+1, они могут найти применение для сверхточного измерения расстояний. При дистанциях в сотни километров погрешность может составить лишь единицы нанометров — миллиардных долей метра. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Авторы работы создавали состояния, в которых пучки из большого количества фотонов находятся одновременно в двух точках пространства. Такие состояния еще называют N00N-состояниями, потому что для записи суперпозиции таких состояний используется сумма (|N, 0> + |0, N>)/√2. Дословно это значит, что попытавшись выяснить, где находится пучок, мы с равной вероятностью увидим, что все фотоны находятся в одном оптоволоконном кабеле или точке пространства или что все фотоны находятся в другом кабеле или точке.

Свет в таком состоянии позволяет превзойти дифракционный предел при интерференционных измерениях, подобных тем, которые проводила коллаборация LIGO для поиска гравитационных волн. При интерференции двух обычных когерентных пучков света возникают полосы с расстоянием сопоставимым с длиной волны света. Суммирование N00N-состояний уменьшает эти расстояния во столько раз, сколько фотонов присутствует в пучке.

Сложность работы с N00N-состояниями заключается в том, что они легко распадаются — наступает декогеренция из-за потерь при передаче импульса. В новой работе авторы нашли способ сохранить квантовую запутанность даже несмотря на потери. Для этого ученые воспользовались эффектом Хонга—У—Мандела и обратимостью времени в квантовой механике.

Эффект Хонга—У—Мандела часто используется напрямую для создания N00N-состояний. Он заключается в следующем. Если два идентичных одиночных фотона направить на светоделитель (полупрозрачное зеркало) с разных сторон от него, то они «склеятся» и полетят в одну и ту же сторону. Иными словами, невозможна ситуация, когда оба фотона одновременно отразятся или испытают преломление в зеркале — это запрещено свойствами квантовой механики. Однако определить, в какую сторону полетят фотоны без измерения невозможно — либо по направлению угла отражения первого фотона (тогда второй фотон преломится), либо по направлению угла отражения второго фотона. Возникает суперпозиция двух двухфотонных состояний.

В новой работе ученые использовали обратный эффект, мысленно развернув время вспять. Если в привычном эксперименте по изучению эффекта поставить детекторы на выходе из светоделителя, то каждый раз запуская в него два фотона с разных сторон срабатывать будет лишь один детектор из двух. В обратном эксперименте ученые направляли пучки фотонов сквозь затемненное зеркало на светоделитель (при этом эффекта Хонга—У—Мандела не наблюдается), и выбирали те случаи, когда два детектора срабатывали одновременно. В таком случае, обратив движение света, мы увидим, что изначально пришедшие на зеркало фотоны должны были быть в состоянии N00N, а значит были запутаны.

В полной схеме эксперимента роль источников пучков фотонов выполняют два кристалла, в которых свет испытывает спонтанное параметрическое рассеяние. Это означает, что часть фотонов, попадая в такой кристалл, превращается в пары запутанных частиц. По одной частице из пары запутанных частиц направляют на светоделитель, тем самым запутывая их между собой. Это запутывание передается и на оставшиеся фотоны из числа вышедших из кристалла — они тоже оказываются в N00N состоянии.

«Допустим, у Алисы и Боба (так в физике называют участников обмена квантовыми объектами) есть по запутанному состоянию. Тогда если я возьму одну часть запутанного состояния от Алисы, вторую от Боба, и проведу над ними совместное измерение, то оставшиеся части состояний Алисы и Боба тоже станут запутанными, хотя до этого никогда не взаимодействовали», – поясняет эксперимент Александр Львовский, соавтор статьи, сотрудник РКЦ и профессор Университета Калгари.

Важно, что состояния удается генерировать даже при потерях на пути от кристаллов до светоделителя сопоставимых с потерями в 50-километровой толще воздуха. Как отмечают физики, в целом этот метод позволит проводить сверхточные измерения на масштабах сотен километров. Для сравнения, длина плеч интерферометра LIGO составляет четыре километра, однако ошибка измерений сопоставима с размерами протона.

Ранее мы сообщали о том, что физики из РКЦ создали первую в России линию квантовой межбанковской связи. Она предназначена для генерации ключа для шифрования данных методом квантового распределения ключа.

N+1

Похожие новости:
Китай осуществит квантовую телепортацию на 1200 километров
Китайские ученые летом 2016 года проведут первый в мире эксперимент по осуществлению квантовой телепортации на расстояние более 1200 километров. Об этом сообщает Nature News.Для эксперимента ученые планируют запустить в июне 2016 года спутник. Таким образом, ..
2016-01-14 2288 0 Научные открытия
1
Теорию струн и петлевую квантовую гравитацию предложили объединить
Физик-теоретик Сабина Хоссенфельдер из Стокгольма посчитала двух альтернативных претендентов на «теорию всего» (теорию струн и петлевую квантовую гравитацию) сторонами одной медали. По ее мнению, в настоящее время петлевая квантовая гравитация достигла большого прогресса. Об этом ученый рассказала ..
2016-01-15 2120 0 Научные открытия
0
Физики продемонстрировали надежную квантовую телепортацацию
Ученые из Нидерландов и Великобритании продемонстрировалии квантовую телепортацию между двумя кубитами, разделенными расстоянием в три метра. Краткое сообщение об исследовании доступно на сайте Делфтского технического университета в Нидерландах, а статья ученых опубликована в журнале Science. Ученым удалось передать на расстояние квантовую ..
2014-05-30 2022 0 Научные открытия
0
Физики создали квантовую связь между фотонами
Термин "квантовая запутанность" был введён ещё Эрвином Шрёдингером в 1935 году для обозначения явления, при котором состояния частиц оказываются взаимосвязанными вне зависимости от расстояния, разделяющего эти частицы. По сути, это явление — всего лишь доказательство парадоксальности квантовой механики, однако современной ..
2013-05-29 2109 0 Научные открытия
-1
Физики впервые осуществили телепортацию в квантовую память
Международная группа физиков впервые продемонстрировала возможность квантовой телепортации в квантовую память по «обычному» оптическому каналу. Препринт статьи исследователей доступен на сайте arXiv.org. В качестве квантовой памяти у исследователей выступал кристалл иттриевого ортосиликата, допированный ионами неодима. ..
2014-02-05 1692 0 Научные открытия
0
В лабораторных условиях удалось создать черную дыру
Впервые в истории китайским ученым удалось создать черную дыру в лабораторных условиях, сообщает zex2.ru. Эта черная дыра, которая в настоящее время работает в микроволновом спектре, возможно в скором времени будет в состоянии улавливать часть видимого света - так можно ..
2012-08-17 2109 0 Научные открытия
0
Физики продемонстрировали работу квантового переключателя
Физики Гарвардского университета и Массачусетского технологического института под руководством Михаила Лукина придумали квантовые переключатели, управлять работой которых можно единичными фотонами. Свое исследование авторы опубликовали в журнале Nature, кратко с ним можно ознакомиться на сайте Гарвардского университета. В ..
2014-04-25 1805 0 Научные открытия
0
Совершён невероятный прорыв в изучении квантовой механике
Группа исследователей из «Университета Центральной Флориды» (University of Central Florida) создала самый короткий лазерный импульс в мире, и в своём процессе предоставила учёным новый инструмент, с помощью которого можно смотреть на квантовую механику в действии — то, что было скрыто до недавнего ..
2012-09-6 2512 0 Научные открытия
0
Магнитостатическая червоточина помогла физикам увидеть монополь Дирака
Физики из Испании при помощи созданной ими магнитостатической червоточины смогли увидеть аналог предсказанного в 1931 году английским физиком-теоретиком Полем Дираком магнитного монополя. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Scientific Reports, а кратко о работе ученых сообщается ..
2015-08-22 4902 0 Научные открытия
0
Физики научились телепортировать энергию
Сначала они телепортировали протоны, затем атомы и ионы. А теперь один физик открыл способ, который позволяет проделать это с энергией. Данное открытие имеет большое значение для будущего физики. В 1993 году, Чарли Беннетт из Исследовательского Центра IBM имени Уатсона ..
2013-12-9 2588 0 Научные открытия
0
Наконец-то осуществлена полная квантовая телепортация!
Новый метод позволяет перейти от вероятностной передачи квантовых битов на расстоянии к детерминированной — без помех и нужды в последующем измерении. Группа Акиры Фурусавы (Akira Furusawa) из Токийского университета (Япония) смогла реализовать полную квантовую телепортацию фотонных кубитов при помощи ..
2013-09-11 2276 0 Научные открытия
0
Физики докажут возможность вечного движения
«Кристаллы времени» способны перевернуть теоретическую физику. В начале 2012 года нобелевский лауреат (2004), физик Франк Вилчек, осмелился выйти на публику с весьма странным предположением. Вилчек разработал и развил доказательство существования «кристаллов времени» — физических ..
2013-05-8 1663 0 Научные открытия
0
Поставлен новый рекорд квантовой телепортации
Международная команда физиков под руководством Антона Цейлингера (Anton Zeilinger) установила новый рекорд, осуществив квантовую телепортацию между двумя островами Канарского архипелага на расстояние 143 километра. Эксперимент был проведён еще весной 2012 года, но результаты опубликованы в журнале Nature только ..
2012-09-10 1973 0 Научные открытия
0
Суперкомпьютер расщепил электрон на две части
С помощью Большого адронного коллайдера, физики сталкивают друг с другом тысячи протонов и других элементарных частиц, чтобы увидеть из чего они состоят. Но им никогда не удастся проделать подобное с электронами. Не важно, как велика задействованная энергия, эти маленькие, негативно заряженные частицы ..
2012-01-23 2383 2 Научные открытия
0
В алмазе увидели квантовый эффект Зенона
Древнегреческий мыслитель и математик Зенон Элейский известен своими логическими парадоксами. Один из них — Стрела Зенона — звучит следующим образом: "Летящая стрела неподвижна, так как в каждый момент времени она занимает равное себе положение, то есть покоится; поскольку ..
2013-08-22 2626 0 Научные открытия
0