Российские физики создали сверхточную “квантовую линейку”

Физики из Российского квантового центра, Московского физико-технического института (МФТИ), Физического института им. П.Н. Лебедева (ФИАН) и парижского Института оптики придумали новый способ более точного измерения расстояний. Они использовали для этого эффект квантовых запутанных состояний, сообщает научно-популярный портал “Чердак” со ссылкой на пресс-службу МФТИ.

Для того, чтобы измерять расстояние в сотни километров с точностью до миллиардных долей метра, ученые использовали квантовые эффекты. Такая точность нужна для обнаружения гравитационных волн. Результаты исследований опубликованы в журнале Nature Communications.

“Эта техника позволяет использовать квантовые эффекты для повышения точности измерения расстояния между наблюдателями, которые отделены друг от друга средой с потерями. В такой среде (например, в атмосфере), квантовые характеристики света легко разрушаются”, – говорит Александр Львовский, соавтор статьи, руководитель научного коллектива, выполнившего исследование, и профессор университета Калгари (Канада).

На схеме эксперимента показаны SPCM – однофотонный счетный модуль, который детектировал отдельные фотоны, и гомодинные детекторы Алисы и Боба, расстояние до которых определялось в ходе эксперимента

 Ученые исследовали запутанные квантовые N00N-состояния фотонов, частиц света, в которых возникает суперпозиция пространственных положений не одного фотона, а сразу множества. Суперпозиция – это понятие из квантовой механики, которое значит, что элементарная частица может находиться в двух взаимоисключающих состояниях, то есть лазерный импульс из множества фотонов в N00N-состоянии одновременно находится в двух точках пространства.

При интерференции N00N-состояния создают полосы, расстояния между которыми меньше длины волны. В оптических интерферометрах – устройствах, которые использовались при открытии гравитационных волн в рамках проекта LIGO – расстояние между полосами равно длине волны – примерно 0,5-1 микрона. Соответственно, использование запутанных состояний повысит точность измерения оптических интерферометров.

Обмен запутанностями

Запутанные квантовые состояния “распутываются” когда проходят через среду даже с небольшими потерями. Ученые решили эту проблему, использовав “обмен запутанностями”.

“Допустим, у Алисы и Боба, как в физике называют участников обмена квантовыми объектами, есть по запутанному состоянию. Если я возьму одну часть запутанного состояния от Алисы, вторую от Боба, и проведу над ними совместное измерение, то оставшиеся части состояний Алисы и Боба тоже станут запутанными, хотя до этого никогда не взаимодействовали”, – говорит Львовский.

“В нашем эксперименте Алиса и Боб создают два запутанных состояния и посылают одну из частей в среду с потерями, которую моделирует затемненное стекло. Третий наблюдатель, посередине между Алисой и Бобом, проводит совместное измерение на этих частях. В результате происходит обмен запутанностями: оставшиеся части состояний Алисы и Боба оказываются в состоянии N00N. А поскольку эти части потерь не испытали, они выказывают свои квантовые свойства в полной мере”, – объясняет ведущий автор статьи Александр Уланов.

По его словам, потери в стекле соответствовали потерям в атмосфере на расстоянии 50 километров между приемником и передатчиком, а в целом метод позволяет точно измерять расстояния в сотни километров (для сравнения, длина плеча интерферометра LIGO – около 4 километров).

Работа ученых позволит использовать в высокоточных измерениях эффект квантовых запутанных состояний и значительно увеличить точность измерений.