Исследователи в Индии показали, что запутанность фотонов в некой непрерывно-переменной основе возрождается по мере того, как фотоны удаляются от своего источника. Открытие может оказаться полезным для безопасной передачи квантовой информации на большие расстояния и для создания квантовых изображений в турбулентных средах.
Квантовая запутанность между фотонами широко изучается физиками, часто для разработки новых квантовых технологий для вычислений, связи, восприятия и визуализации. Некоторые потенциальные приложения требуют отправки запутанных фотонов на большие расстояния или через турбулентные среды без потерь. Однако в настоящее время очень сложно сохранить определенные типы запутанности в таких обстоятельствах, и успех может зависеть от многих факторов, в том числе от того, как квантовая информация закодирована в фотонах.
Теперь Ананд Джа и коллеги по Лаборатория квантовой оптики и запутанности в Индийском технологическом институте Канпура предложили возможное решение, используя угловое положение фотонов для кодирования информации. Они заметили, что запутанность, кажется, исчезает по мере распространения фотонов, но затем странным образом снова появляется. Они также показали, что возрождение запутанности происходит даже после того, как фотоны проходят через турбулентный воздух, который обычно разрушает запутанность. Они описывают свои исследования в Наука развивается.
Фотонная запутанность
Фотоны имеют множество различных степеней свободы, которые можно использовать для кодирования квантовой информации. Выбор зависит от типа информации, которая должна быть закодирована. Для кубитов можно использовать дискретные свойства, такие как поляризация или орбитальный угловой момент фотона. Но иногда, особенно для целей восприятия и визуализации, лучше кодировать квантовую информацию более непрерывно. В таких приложениях наиболее изученным запутанным свойством — или «основой» — является положение фотона, заданное его декартовыми координатами.
Явление квантовой запутанности придает частицам более тесную связь, чем это допускает классическая физика, и не зависит от того, какой именно базис используется для кодирования квантовой информации. Однако способ использования или измерения запутанности в эксперименте может не зависеть от базиса. Это относится к «свидетелю» запутанности, который является математической величиной, определяющей, является ли система запутанной. Свидетели зависят от базиса для непрерывных базисов, и эта зависимость означает, что некоторые типы непрерывной запутанности могут быть более полезными, чем другие.
Что касается базиса положения-импульса, запутанность, как видно через свидетеля, исчезает очень быстро по мере того, как фотоны удаляются от своего источника. Чтобы обойти это, ученые обычно изображают сам источник, используя запутанность между фотонами. Любая турбулентность на пути также быстро разрушает запутанность, требуя сложных решений, таких как адаптивная оптика, для ее восстановления. Эти дополнительные корректирующие шаги ограничивают полезность этих запутанных фотонов.
Это последнее исследование Джа и его коллег исследует, как можно сохранить запутанность, используя тесно связанную альтернативную основу — угловое положение фотона.
Генерация, потеря и возрождение запутанности
В своем эксперименте исследователи генерировали запутанные фотоны, направляя свет мощного лазера «накачки» в нелинейный кристалл. В условиях, когда энергия и импульс фотонов сохраняются, один фотон накачки будет производить два запутанных фотона в процессе, называемом спонтанным параметрическим преобразованием с понижением частоты (SPDC). Два фотона запутаны во всех своих свойствах. Например, если фотон обнаружен в одном месте, положение другого запутанного фотона определяется автоматически. Корреляция существует и для других величин, таких как импульс, угловое положение и орбитальный угловой момент.
Как видно через свидетеля без каких-либо корректирующих мер, исследователи заметили, что позиционная запутанность между фотонами исчезает примерно через 4 см распространения. С другой стороны, кое-что интересное происходит для запутанности углового положения. Она исчезает примерно через 5 см распространения, но после того, как фотоны проходят еще 20 см, запутанность появляется снова (см. рисунок). Исследователи качественно подтвердили свои экспериментальные результаты с помощью численной модели.
Метод дистилляции усиливает квантовую запутанность в одной паре фотонов.
Та же тенденция наблюдалась, когда команда создала турбулентную среду на пути запутанных фотонов. Это было сделано с помощью продувочного нагревателя, чтобы взбудоражить воздух и изменить его показатель преломления. В этом случае запутанность восстанавливалась после того, как свет распространялся на большее расстояние около 45 см.
Пока еще полностью не известно, что вызывает повторное появление запутанности в базисе углового положения. Основа особенная, потому что она оборачивается после полного круга. По словам Джа, это один из его отличительных факторов.
Несмотря на то, что исследование демонстрирует устойчивость на расстояниях менее метра, Джа и его коллеги утверждают, что возрождение возможно и на километровых расстояниях. Это могло бы позволить передавать квантовую информацию через атмосферную турбулентность, не разрушая запутанность. Надежность за счет турбулентности также может позволить квантовую визуализацию объектов в нечеткой биохимической среде с минимальным вторжением или разрушением.
