Ілюстрація ефекту «квантового вампіра».
У журналі Optics Letters вийшла стаття Direct test of the «quantum vampire's» shadow absence with use of thermal light, підготовлена групою фізиків Центру компетенцій НТІ за квантовими технологіями на базі МДУ.
Вчені отримали пряме експериментальне підтвердження того, що знищення фотона в частині пучка світла не змінює форму профілю пучка (тобто «не відкидає тінь»), але при цьому може змінювати його яскравість. Раніше цей ефект демонструвався тільки в спрощеному режимі, коли пучок розділявся на два канали і видалення фотонів в одному каналі призводило до змін в іншому.
Для підтвердження ефекту «квантового вампіра» фізики створили установку, в якій з частини теплового пучка, що має форму вампіра, видалявся один фотон. Для порівняння розглядалася також ситуація, коли в тій же області відбувалося класичне поглинання світла, що призводить до того, що в середньому один фотон губився. Якщо в класичному випадку профіль пучка змінювався і «була видна тінь», то в квантовому - при знищенні одного фотона ніякої тіні не було (див. рис).
Нагадаємо, що «квантовим вампіром» називається ефект, що полягає в тому, що за певних умов тіло, яке знаходиться на шляху у світла, «не відкидає тіні». Якщо в повсякденному житті ми звикли до того, що будь-який об'єкт, що встає на шляху біля частини потоку світла, викликає тінь (провал освітленості), то в квантовому світі, якщо об'єкт влаштований таким чином, що поглинає рівно один фотон, замість «утворення тіні» за перешкодою відбувається просідання або збільшення освітленості (залежно від властивостей джерела випромінювання) по всій площі світлового пучка.
Ефект дозволяє краще зрозуміти - на інтуїтивному рівні - як працює оператор знищення фотона, що лежить в основі квантової механіки і практично використовується у великій кількості різних додатків і технологій. Наприклад, його можна застосовувати для фізичного моделювання квантового теплового двигуна [1] або фотонного демона Максвелла [2]. Відщеплення фотона дозволяє збільшити чутливість інтерферометрів теплових полів [3], розширити можливості оптичних квантових обчислень [4] і підвищити ефективність систем квантового розподілу ключа [5].
Вперше ефект «квантового вампіра» експериментально виявила група Олександра Львівського [6]. Вчені провели пробний експеримент, при якому один або два фотони розділялися світлоделювачем на два канали, потім в одному з каналів реалізовувалося умовне знищення одного фотона, і це призводило до того, що фотон знищувався одночасно в обох пучках.
Пізніше співробітники Центру квантових технологій МДУ в роботі 2018 року [7] довели, що цей ефект буде виконуватися не тільки для квантових станів світла із заданим числом фотонів, але і для класичного світла від теплового джерела. Це дозволило істотно спростити експеримент з перевірки того, що оператор знищення фотонів не відкидає тіні.
Література
- Hloušek J., Ježek M., Filip R. Work and information from thermal states after subtraction of energy quanta // Sci. Rep. 2017 Vol. 7, № 1 P. 13046
- Vidrighin M.D. et al. Photonic Maxwell’s Demon // Phys. Rev. Lett. 2016 Vol. 116, № 5 P. 50401
- Hashemi Rafsanjani S.M. et al. Quantum-enhanced interferometry with weak thermal light // Optica. 2017 Vol. 4, № 4 P. 487
- Andersen U.L. et al. Hybrid discrete- and continuous-variable quantum information // Nat. Phys. 2015 Vol. 11, № 9 P. 713—719.
- Huang P. et al. Performance improvement of continuous-variable quantum key distribution via photon subtraction // Phys. Rev. A — At. Mol. Opt. Phys. 2013 Vol. 87, № 1 P. 1—7.
- A. Fedorov, A. E. Ulanov, Y. V. Kurochkin, and A. I. Lvovsky, Optica 2, 112 (2015).
- G. Katamadze, G. V Avosopiants, Y. I. Bogdanov, and S. P. Kulik, Optica 5, 723 (2018).
