Лазерный мир

Физикам удалось дважды зарегистрировать один и тот же фотон и при этом не разрушить его. В качестве двух детекторов они использовали оптические резонаторы на атоме рубидия, между которыми фотоны путешествовали по оптоволокну. Ученые показали, что такое последовательное детектирование фотонов позволяет увеличить вероятность их регистрации и уменьшить шум. В будущем такой метод регистрации может упростить и ускорить работу с фотонными кубитами. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Обычно для того, чтобы зарегистрировать фотон, его необходимо поглотить. Это позволяет получить информацию о самом фотоне, но не дает возможности повторить такое измерение. Сама природа такого метода регистрации вносит ограничения на его возможности: так нельзя отследить эволюцию состояния одного и того же фотона во времени. Кроме того, в случае не идеальности детектора, фотон с определенной вероятностью может быть разрушен даже без его регистрации, а значит информация о нем будет потеряна.

Такие последствия особо неприятны в случае квантовых измерений, ведь в них состояние каждого конкретного фотона и его эволюция могут нести важную информацию. Тут особо полезными представляются концепт квантовых неразрушающих измерений, при которых сам факт измерения и его результат не влияет на неопределенности последующего измерения квантовой наблюдаемой при дальнейшей эволюции системы. На практике такой метод позволяет повторять одни и те же измерения без изменения их результата и обходить описанные выше проблемы разрушающих измерений.

Сами по себе квантовые неразрушающие измерения уже нашли применение в целом ряде областей: от детектирования гравитационных волн и астрономии до высокоточной метрологии. Такую методику используют при работе с индивидуальными ионами, сверхпроводящими кубитами и атомными ансамблями, но с фотонами все оказалось сложнее. Причиной стала сложность создания детекторов, которые были бы в состоянии зарегистрировать фотон без его поглощения. Концепты детекторов для однократного неразрушающего измерения фотонов разработали и реализовали как для микроволновых, так и для оптических фотонов, однако многократной регистрации одних и тех же фотонов пока достигнуть не удавалось.

Теперь же Эмануэль Дистант (Emanuele Distante) и его коллеги из Института квантовой оптики Общества Макса Планка дважды зарегистрировали оптический фотон без его разрушения. В качестве фотонных детекторов ученые использовали два оптических резонатора, каждый из которых представлял собой пойманный между маленькими зеркалами атом рубидия. Резонаторы были настроены на частоту определенного перехода между состояниями атома, а с помощью рамановских лазеров атом помещался в состоянии суперпозиции своих двух различных уровней. За состоянием атома рубидия в каждом детекторе следили с помощью отдельных лазеров, настроенных на частоту оптических резонаторов. Два детектора были соединены друг с другом оптоволокном длиной 60 метров. Кроме того, в начале схемы находился источник слабых когерентных фотонных импульсов с длиной волны 780 нанометров, а в конце — простой детектор одиночных фотонов. Ученые использовали фотонные импульсы вместо одиночных фотонов для того, чтобы исследовать поведение такой схемы детектирования в зависимости от среднего числа фотонов в импульсе.

Схема установки в различных представлениях: (a) – эмпирическая схема с лампочками в качестве детекторов, (b) – физическая схема, (c) – схема на языке квантовых операторов. Emanuele Distante et al. / Physical Review Letters, 2021

Сама регистрации проходила по следующему принципу. Каждый из двух детекторов, следующих принципу квантовых неразрушающих измерений, был устроен так, что при попадании на него пучка фотонов атом рубидия в нем менял состояние, если число фотонов было нечетным (в том числе — один), и оставался в начальном состоянии в обратном случае. Фотонный импульс при этом отражался от детектора и направлялся в следующий детектор, а затем поглощался детектором одиночных фотонов. В результате ученые могли отслеживать, с какой вероятностью срабатывал каждый из детекторов, а также изучить суммарную эффективность регистрации. Оказалось, что максимальная эффективность двух детекторов при работе по одному составила 81,3 процента и 87.0 процента (отличия обусловлены качеством настройки каждого детектора), а при совместной работе она увеличилась до 95,1 процента.
Также физики показали, что совместное использование двух детекторов увеличивает и другой важный показатель регистрации фотонов — отношение сигнала к шуму. Этот параметр для комбинации двух детекторов оказался в 61 раз выше, чем для второго детектора, и в 227 раз выше, чем для первого детектора. Таким образом, квантовые неразрушающие измерения позволили существенно улучшить эффективность и качество детектирования оптических фотонов. Ученые отмечают, что уменьшение потерь при движении фотонов по оптоволокну между детекторами (в исследованной установке — 53 процента) и добавление разрешения по времени позволят использовать такую схему в качестве источника состояний Фока. Кроме того, такая система неразрушающих детекторов может быть использована для работы с фотонными кубитами и тем самым ускорить работу существующих квантовых алгоритмов.

Как уже было сказано, неразрушающие измерения особо полезны при работе с кубитами, и эту методику развивают не только для устройств на основе фотонов: такие измерения уже провели для кубитов на квантовой точке. А микроволновые фотоны без разрушения предложили регистрировать с помощью квантового метаматериала.

Никита Козырев