Голографическая реконструкция бифотонных состояний. а) Совпадение интерференции между эталонным спонтанным параметрическим рассеянием и состоянием, полученным пучком накачки, имеющим форму символа Инь и Ян (показан на врезке). Масштаб врезки тот же, что и на основном графике. б) Реконструированная амплитудно-фазовая структура изображения.
Исследователи из Университета Оттавы в сотрудничестве с Данило Зиа и Фабио Скьяррино из Римского университета Сапиенца недавно продемонстрировали новую методику, позволяющую визуализировать волновую функцию двух запутанных фотонов — элементарных частиц, составляющих свет — в режиме реального времени. Исследование «Интерферометрическая визуализация амплитуды и фазы пространственных бифотонных состояний» опубликовано в журнале Nature Photonics.
Волновая функция даёт полное представление о квантовом состоянии частицы и позволяет предсказывать вероятные результаты различных измерений квантового объекта, например положения, скорости и т.д.
Такая предсказательная способность неоценима, особенно в быстро развивающейся области квантовых технологий, где знание квантового состояния, которое генерируется или вводится в квантовый компьютер, позволяет протестировать сам компьютер. Более того, квантовые состояния, используемые в квантовых вычислениях, являются чрезвычайно сложными, включающими множество объектов, которые могут проявлять сильные нелокальные корреляции (т.е. запутанность).
Расчёт волновой функции такой квантовой системы — сложная задача. Её ещё называют томографией квантовых состояний или сокращённо квантовой томографией. При использовании стандартных подходов (основанных на так называемых проективных операциях) для полной томографии требуется большое число измерений, которое быстро растёт с увеличением сложности (размерности) системы.
Кроме проекционного измерительного подхода к квантовой томографии существует и другой способ реконструкции трёхмерного объекта. Этот способ называется цифровой голографией и основан на записи одного изображения, так называемой интерферограммы, получаемой в результате интерференции рассеянного объектом света с опорным светом.
Команда под руководством Эбрахима Карими, заведующего Канадской исследовательской кафедрой структурированных квантовых волн, содиректора исследовательского института NexQT и доцента факультета естественных наук, распространила эту концепцию на случай двух фотонов.
Для реконструкции двухфотонного состояния необходимо наложить его на предположительно известное квантовое состояние, а затем проанализировать пространственное распределение позиций, в которых два фотона приходят одновременно. Изображение одновременного прихода двух фотонов называется изображением совпадения. Эти фотоны могут исходить как от эталонного, так и от неизвестного источника. Квантовая механика утверждает, что источник фотонов не может быть идентифицирован.
В результате образуется интерференционная картина, которая может быть использована для восстановления неизвестной волновой функции. Этот эксперимент стал возможен благодаря использованию современной камеры, которая регистрирует события с наносекундным разрешением на каждом пикселе.
Доктор Алессио Д'Эррико, постдокторант Оттавского университета и один из соавторов статьи, подчеркнул огромные преимущества этого инновационного подхода: «Этот метод экспоненциально быстрее предыдущих, требуя всего несколько минут или секунд вместо нескольких дней. Важно отметить, что время обнаружения не зависит от сложности системы — это решение давней проблемы масштабируемости проекционной томографии».
Влияние этого исследования выходит за рамки академического сообщества. Оно способно ускорить развитие квантовых технологий, таких как улучшение характеристик квантовых состояний, квантовая связь и разработка новых методов квантовой визуализации.
