Российские физики создали сверхвысокоточную квантовую «линейку»

Ученые-физики из российского Квантового центра, Физического института РАН им. П.Н. Лебедева и Московского физико-технического института при содействии коллег из института L’Institut d’Optique, Франция, разработали метод, позволяющий получить специальное состояние квантовой запутанности. И это состояние может быть использовано для создания сверхвысокоточной квантовой линейки, способной измерять большие расстояния с точностью до миллиардных долей метра.

«Новая технология позволила нам использовать эффекты квантовой механики для увеличения точности измерения расстояния между двумя точками, которые разделены средой, обеспечивающей потери при распространении света и других колебаний, которые обычно используются для измерения расстояний» — рассказывает Александр Львовский, глава научной группы из Квантового центра и одновременно профессор университета Калгари.

Исследователи сосредоточились на том, что называется квантовым состоянием N00N фотонов света. Это состояние охватывает не один, а одновременно несколько фотонов, которые находятся в состоянии квантовой суперпозиции относительно их пространственного положения. Другими словами, лазерный импульс, состоящий из некоторого количества фотонов, может находиться в двух точках пространства одновременно.

Подобное квантовое состояние уже достаточно давно используется в науке и технике, при его помощи ученые уже в свое время добились кардинального улучшения характеристик оптических интерферометров, подобных интерферометрам эксперимента LIGO, при помощи которых не так давно были обнаружены гравитационные волны.

В таких оптических интерферометрах лучи лазерного света, прошедшие относительно большое расстояние и отраженные от зеркал, «смешиваются», усиливая или подавляя друг друга в зависимости от текущего положения зеркал. Это позволяет измерить самые малые смещения зеркал относительно друг друга поскольку длина волны света составляет 0.5 — 1 микрон. Однако, некоторые эксперименты требуют еще более высокой точности, к примеру, интерферометр LIGO способен измерить смещение, равное диаметру протона.

«Проблема, которую нам удалось успешно разрешить, заключается в том, что квантовое состояние N00N чрезвычайно чувствительно к помехам и к потерям. При распространении на большие расстояния сквозь атмосферу или по оптоволоконным линиям, луч света неизбежно теряет долю своей интенсивности, энергии» — рассказывает Александр Львовский, — «Для обычного с точки зрения классической физики света это не имеет большого значения, но если свет находится в состоянии квантовой запутанности, то это состояние начинает «распутываться» и свет становится бесполезным».

«Существует явление, называемое передачей квантовой запутанности. Предположите, что объекты А и Б находятся в классическом запутанном состоянии. Мы можем измерить один параметр при помощи объекта А, а другой — при помощи объекта Б, при этом произойдет разрыв запутанностей измеренных параметров, но при этом, А и Б обретут запутанность других параметров» — рассказывает Александр Львовский, — «В нашем же эксперименте, А и Б формируют два состояния квантовой запутанности, а «третий наблюдатель», находящийся посередине между ними, производит измерения их «запутанных» параметров. Все это приводит к тому, что передача квантовой запутанности помещает оба объекта в квантовое состояние N00N».

Разработанный учеными метод создания состояния квантовой запутанности N00N позволит создать интерферометр длиной до 50 километров, возможности которого будут намного превосходить возможности интерферометра эксперимента LIGO. Точно такой же метод можно использовать и в космосе, создав гравитационный детектор, более чувствительный, нежели детектор будущего эксперимента LISA.