Вторая жизнь фотонов

«Сверхъестественное взаимодействие на расстоянии». — таков знаменитый насмешливый отзыв Альберта Эйнштейна о концепции квантовой запутанности (спутанности, сцепленности). согласно которой объекты могут быть связаны между собой и мгновенно влиять друг на друга независимо от расстояния между ними. Сегодня ученые предполагают, что такое сверхъестественное взаимодействие может продолжаться даже после нарушения запутанности объектов.

В экспериментах с квантовой запутанностью — основой квантовых вычислений и квантовой криптографии — физики используют пары фотонов. Теоретически действия, производимые с одним из них, мгновенно влияют на другой, независимо от того, как далеко друг от друга они находятся. Рекорд расстояния составляет 144 км: от острова Пальма до Тенерифе (Канарские острова).

На практике запутанность — очень нестабильное состояние. Фоновые возмущения легко разрушают его. что гибельно, в частности, для квантовых вычислений, поскольку они могут выполняться только до тех пор, пока запутанность сохраняется. Однако физик Сет Ллойд (Seth Lloyd) из Массачусетсского технологического института выдвинул предположение, что память о запутанности может сохраняться. Он сравнил этот эффект с описанным в романе «Грозовой перевал» Эмили Бронте (Emily Bronte), когда «спектральная Кэтрин общается со своим квантовым Хитклифом подобно вспышке света из мира иного».

Прозрение пришло, когда Ллойд исследовал, что происходит при использовании запутанных друг с другом фотонов для освещения. Можно предположить, что такое освещение способно повысить качество получаемых изображений. Например, при съемке со вспышкой импульсная лампа излучает свет, а изображение формируется фотонами, отраженными от объекта съемки, но фотоны, рассеянные от других объектов (шумовые), могут нарушать четкость изображения. Если бы лампа излучала запутанные фотоны, то. как предполагается, шумовые фотоны было бы легче отфильтровать, сопоставляя отраженные с парными им. которые служили бы опорными.

Однако ввиду крайней нестабильности состояния запутанности Ллойд не надеялся, что такое квантовое освещение может работать. «Я был в отчаянии, — вспоминает он, — пытаясь получить финансирование от Агентства передовых оборонных исследований (DARPA) в рамках программы разработки датчиков для получения изображений в условиях сильных шумов». Как ни странно, когда расчеты Ллойда показали, насколько хорошо может работать такое «квантовое» освещение, выяснилось, что оно не просто работает, но для использования всех его возможностей необходимо полное разрушение запутанности.

Исследователь признает, что его вывод озадачил не только его самого. Физик Прем Кумар (Prem Kumar) из Северо-Западного университета был скептичен в отношении преимуществ квантового освещения, пока не увидел расчетов Ллойда. «Понять это стараются все, но пока вопросов больше, чем ответов, — говорит Кумар. — Если запутанность не сохраняется, но вам представляется, что вы извлекаете из нее пользу, то, возможно, теоретикам придется выяснять, действительно ли здесь играет роль запутанность, или действует какой-то иной фактор».

В качестве возможного объяснения Ллойд выдвигает предположение, что даже если технически запутанность двух фотонов будет полностью утеряна, то какой-то намек на нее может сохраняться после измерения.

Ллойд предполагает, что если квантовое облучение работает, то оно может в миллионы раз повысить чувствительность радиолокационных и рентгеновских систем, оптической связи и микроскопии, а также привести к созданию приборов наблюдения военного назначения, которые будет весьма сложно обнаружить, поскольку они смогут работать с очень слабыми сигналами.

Предложения по практической реализации квантового облучения Ллойд и его коллеги детализировали в статье, направленной в 2008 г. для публикации в журнал Physical Review Letters и основанной на теоретической работе, опубликованной в журнале Science 12 сентября 2008 г.

Однако доказать существование данного эффекта может оказаться очень трудно. Самый простой этап — создание запутанных фотонов: для этого достаточно направить свет на кристалл — понижающий преобразователь частоты, играющий роль светоделителя. Он порождает отдельные, но запутанные лучи. Один луч используют для освещения объекта, а другой служит опорным. Отраженный и опорный лучи затем объединяют (пропуская их через светоделитель в обратном направлении). При этом для запутанных фотонов вероятность рекомбинации с образованием фотона исходной частоты оказывается более высокой, чем для прочих. Но для любого эксперимента по доказательству того, что квантовое освещение может повысить чувствительность регистрации изображений, придется использовать очень слабые сигналы. А создание материалов, способных осуществлять повышающее преобразование частоты слабых пучков с достаточной эффективностью, представляет собой невероятно сложную техническую задачу, говорит Кумар. Тем не менее Ллойд предсказывает, что экспериментальная проверка такой схемы может быть проведена уже в этом году.

Кроме повышения чувствительности при получении изображений, рассматриваемый эффект может принести пользу делу квантовых вычислений или квантовой криптографии, полагает Кумар.