Исследователи использовали передовую технологию камеры для визуализации волновых функций двух запутанных фотонов в реальном времени, создав метод быстрого и эффективного восстановления полного квантового состояния запутанных частиц. Этот инновационный подход в несколько раз быстрее, чем предыдущие методы, занимая минуты или секунды вместо дней, и, как ожидается, будет способствовать развитию квантовых технологий за счет улучшения характеристик квантового состояния, квантовой связи и методов квантовой визуализации.
Новая техника, основанная на передовой фотографии, демонстрирует способ быстро и эффективно восстановить полное квантовое состояние запутанных частиц.
Исследователи из Университета Оттавы в сотрудничестве с Данило Зией и Фабио Шаррино из Университета Сапиенца в Риме недавно продемонстрировали новую технику, которая позволяет в реальном времени визуализировать волновые функции двух запутанных фотонов — фундаментальных частиц, составляющих свет.
Используя аналогию с парой обуви, концепцию запутывания можно сравнить с выбором обуви наугад. В тот момент, когда вы идентифицируете один ботинок, природа другого ботинка (левый это ботинок или правый ботинок) становится мгновенно различимой, независимо от его местоположения во Вселенной. Однако интригует присущая процессу идентификации неопределенность до момента наблюдения.
Волновая функция — это основной принцип квантовой механики, который обеспечивает всестороннее понимание квантового состояния частиц. Например, в случае с обувью «волновая функция» обуви может нести такую информацию, как левое и правое положение, размер, цвет и т. д. Точнее, волновая функция позволяет учёным-квантологам предсказывать возможные результаты различных измерений квантовых объектов, таких как положение, скорость и т. д.
На фото (слева направо): доктор Алессио Д'Эррико, доктор Эбрагим Карими и Назанин Деган. Источник изображения: Университет Оттавы.
Эта способность прогнозирования чрезвычайно ценна, особенно в быстро развивающейся области квантовых технологий, где понимание квантовых состояний, создаваемых или вводимых квантовым компьютером, позволит нам протестировать сам компьютер. Более того, квантовые состояния, используемые в квантовых вычислениях, чрезвычайно сложны и включают в себя множество объектов, которые могут демонстрировать сильные нелокальные корреляции (запутывание).
Понимание волновой функции такой квантовой системы является чрезвычайно сложной задачей, ее также называют томографией квантового состояния или квантовой томографией. Комплексная томография с использованием стандартных методов (основанных на так называемых проекционных операциях) требует большого количества измерений, причем количество измерений быстро возрастает с увеличением сложности (размерности) системы.
Предыдущие эксперименты исследовательской группы с использованием этого метода показали, что определение характеристик или измерение многомерного квантового состояния двух запутанных фотонов может занять часы или даже дни. Кроме того, качество результатов очень чувствительно к шуму и зависит от сложности экспериментальной установки.
Метод проекционных измерений квантовой томографии можно понимать как наблюдение теней многомерных объектов, проецируемых с независимых направлений на разные стены. Все, что могут видеть исследователи, — это тени, и по ним они могут сделать вывод о форме (состоянии) всего объекта. Например, при КТ (компьютерной томографии) информация о трехмерном объекте может быть восстановлена из набора двухмерных изображений.
Однако в классической оптике есть другой способ реконструкции трехмерных объектов. Этот метод, известный как цифровая голография, основан на одном изображении, известном как интерференционная картина, полученном путем интерференции рассеянного объектом света с эталонным светом.
Исследовательская группа под руководством Эбрагима Карими, канадского заведующего кафедрой структурных квантовых волн, содиректора Объединенного института квантовых технологий (NexQT) в Оттаве и доцента факультета естественных наук, распространила эту концепцию на двухфотонный случай. Для реконструкции двухфотонного состояния необходимо наложить его на предполагаемое хорошо известное квантовое состояние, а затем проанализировать пространственное распределение мест, куда оба фотона прибывают одновременно. Изображение двух фотонов, прилетающих одновременно, называется изображением совпадений. Эти фотоны могут исходить из эталонного источника или из неизвестного источника. Квантовая механика утверждает, что источник фотона не может быть определен. Это создает интерференционную картину, которую можно использовать для восстановления неизвестной волновой функции. Этот эксперимент стал возможен благодаря усовершенствованным камерам, которые записывают события в каждом пикселе с наносекундным (1 000 000 000 секунд) разрешением.
Доктор Алессио Д'Эррико, соавтор статьи и постдок в Университете Оттавы, подчеркивает огромные преимущества этого инновационного подхода: «Этот метод в несколько раз быстрее предыдущих методов, занимая всего минуты или секунды вместо дней. Важно отметить, что на время обнаружения не влияет сложность системы — это способ решить давнюю проблему масштабируемости в проекционной томографии».
Влияние этого исследования выходит за рамки академических кругов. Он потенциально может ускорить развитие квантовых технологий, таких как улучшенная характеристика квантовых состояний, квантовая связь и разработка новых методов квантовой визуализации.