Нов поглед към фотона ще доведе бъдещия „квантернет”

Използвайки атома в състояние на суперпозиция, немски физици са регистрирали фотон, без да му окажат никакво влияние.

Един от крайъгълните камъни в квантовата физика може да се нарече твърдението, че не можете да измерите параметрите на обекта, без да му повлияете при тази операция.

„Заобиколни маневри”, които ще ви позволят поне отчасти да избегнете такова въздействие, разбира се, съществуват и те могат да се прилагат. Но сега учените са открили принципно нов път за откриване на единични фотони, без да внасят изменения в пренасяната от тях информация.

Обикновено, за да се регистрира един фотон, той се „улавя” със сензор, който поглъща неговата енергия, но при това унищожава самата частица. За щастие така нареченото слабо измерване позволява да се извлекат частиците само на част от пренасяната от тях информация, избягвайки пълното й унищожение.

Това е многообещаващ подход, но ако се готвим да създаваме квантови мрежи, използващи квантова криптография, то се изисква да се прехвърлят фотони дори без слабо въздействие върху тях. Всяко външно смущение ще накара обичайния квантов бит да стане или 1, или 0, и тогава кюбитът ще прекрати квантовото си съществуване.

Стефан Ритер и колегите му от Института по квантова оптика към обществото „Макс Планк” (Германия) предлагат за решаване на този проблем нещо от рода на четене на „плика” на кюбита и съответното му преадресиране, без разбиране на това, което се намира вътре, тоест без въздействие върху фотона.

За тази цел учените използвали оптичен резонатор от две огледала, разположени на разстояние половин милиметър и гледащи едно към друго.

Фотоните със специфична „резонансна” енергия, съответстваща на разстоянието между огледалата, при попадане в такъв резонатор ще се задържат в него. В резонатора попадал атом, намиращ се в суперпозиция от две състояния, едното от които било резонансно по отношение на дадения резонатор. В това състояние атомът не позволявал на фотоните със същата резонансна енергия да проникват в пространството между огледалата.

След това по резонатора се „изстрелвал” фотон, след което атомът с „раздвоена личност” (в суперпозиция) довеждал до реализирането на двете едновременни събития. Първо, в една от „паралелните вселени” (тоест неговите състояния) фотонът не влизал в резонатора, защото атомът в това състояние имал резонансна енергия, която не му позволявала да направи това.

Фотонът просто „отскачал” от повърхността на едно от огледалата. Във втората „паралелна вселена” (второто суперпозиционно състояние) атомът позволявал на фотона да влезе в резонатора, където фотонът се отразявал от едното от огледалата към другото и напускал кухината по същия начин, както влизал в нея.

Общото квантово състояние на фотона оставало същото, но състоянието на атома било променено. Изместването между свързаното и несвързаното му състояние се променило със 180°. Отчитайки това, физиците успели да регистрират преминаването на фотона, буквално „виждайки” го без факта на въздействие.

Подобни неща вече са правени, но този „трик” е постиган само по отношение на микровълните, чието прилагане за квантовите мрежи е затруднено. Сега на тази основа може да се създаде квантов репитер – доста важен елемент от мрежата на бъдещия „квантернет”.

За да се потвърди описаният по-горе потенциал на новата техника, остава да се демонстрира нейната работоспособност за фотоните, които също биха се намирали в суперпозиция. Тъкмо с това ще се заемат авторите в близко време.

Отчет за изследването е публикуван в сп. Science.

Източник: Nature News