Исследователи из Университета Оттавы в сотрудничестве с университетами Рима разработали новую технику, которая позволяет в реальном времени визуализировать волновую функцию двух запутанных фотонов — элементарных частиц, составляющих свет. Этот метод основан на передовой технологии камеры и представляет собой быстрый и эффективный подход к восстановлению полного квантового состояния запутанных частиц.
Используя аналогию с парой обуви, концепцию плетения можно сравнить со случайным выбором обуви. В тот момент, когда вы идентифицируете туфлю, мгновенно распознается природа другой обуви (левой или правой), независимо от ее местоположения во Вселенной. Однако загадочным фактором является присущая процессу идентификации неопределенность до момента наблюдения.
Волновая функция, которая является центральным понятием квантовой механики, обеспечивает всестороннее понимание квантового состояния частицы. В примере с обувью «волновая функция» обуви может нести такую информацию, как лево или право, размер, цвет и т. д. Точнее, волновая функция позволяет квантовым ученым предсказывать вероятные результаты различных измерений квантового объекта, таких как положение, скорость и т. д.
читать далее
Развитие квантовых технологий
Предсказательная сила, обеспечиваемая волновой функцией, неоценима, особенно в быстро развивающейся области квантовых технологий, где знание квантового состояния, сгенерированного или введенного в квантовый компьютер, позволит протестировать сам компьютер. Более того, квантовые состояния, используемые в квантовых вычислениях, чрезвычайно сложны и включают в себя множество объектов, которые могут демонстрировать сильные нелокальные корреляции (запутывание). Знание волновой функции такой сложной квантовой системы — сложная задача, также известная как томография квантового состояния.
Передовая технология реконструкции квантового состояния
Стандартные подходы, основанные на проективных операциях, требуют большого количества измерений, которые быстро возрастают по мере увеличения сложности системы. Предыдущие эксперименты, проведенные с использованием этого подхода, показали, что описание или измерение квантового состояния двух запутанных фотонов может занять часы или даже дни. Кроме того, качество результатов очень чувствительно к шуму и зависит от сложности экспериментальной установки.
Однако исследователи из Университета Оттавы разработали новую технику на основе усовершенствованных камер, которая позволяет быстрее восстанавливать квантовое состояние. Записывая события с наносекундным разрешением в каждом пикселе, этот метод способен фиксировать одновременное прибытие двух фотонов, что приводит к созданию интерференционной картины, которую можно использовать для восстановления неизвестной волновой функции.
Скорость и масштабируемость
Основным преимуществом этого нового подхода является его экспоненциально более высокая скорость по сравнению с предыдущими методами: для выполнения томографии требуется всего несколько минут или секунд, а не дней. Более того, на время обнаружения не влияет сложность системы, что решает проблему масштабируемости, с которой сталкивается проекционная томография.
Результаты этого исследования оказывают значительное влияние не только на академическое сообщество, но и на развитие квантовых технологий. У них есть потенциал для улучшения характеристик квантовых состояний, квантовой коммуникации и разработки новых методов квантовой визуализации.
Исследование под названием «Интерферометрическое изображение амплитуды и фазы пространственных двойных состояний» было опубликовано в журнале Nature Photonics 14 августа 2023 года.
Смотрели ли вы новые видео на YouTube от Olhar Digital? Подпишитесь на канал!