Физики научились управлять квантовой неопределенностью света. Как работает новый метод для квантовых технологий?

Любой луч света, который мы видим, кажется нам стабильным. Но на фундаментальном уровне он находится в состоянии постоянной нестабильности. Это базовое свойство материи — у светового импульса есть две главные характеристики: амплитуда (его яркость) и фаза (положение волны). Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что невозможно одновременно измерить обе эти величины с высокой точностью. Чем точнее вы знаете одну, тем менее определенной становится другая.

Большинство источников света, включая лазеры, находятся в когерентном состоянии. Неопределенность в них поровну распределена между амплитудой и фазой. А можно ли как-то изменить этот баланс? Что, если попробовать «сжать» неопределенность в одной характеристике, пусть даже пожертвовав точностью другой?

Это главная идея нового исследования, опубликованного в журнале Light: Science & Applications. Ученые создали очень короткие импульсы такого «сжатого света». Они также впервые смогли наблюдать и контролировать его квантовую неопределенность в реальном времени, на временных отрезках в аттосекунды. Аттосекунда — это одна квинтиллионная доля секунды, время за которое свет успевает пройти расстояние равное размеру одной молекулы.

Что такое «сжатый свет»?

Возьмем обычный лазерный луч. Его яркость немного колеблется из-за квантовых флуктуаций. Это его амплитудная неопределенность. Сжатый свет — это состояние, где физики искусственно уменьшают эти флуктуации. Они «сжимают» неопределенность амплитуды, и интенсивность света становится почти идеально ровной.

Но законы физики требуют баланса. Снижая неопределенность амплитуды, вы автоматически увеличиваете неопределенность фазы. Такой свет очень полезен для высокоточных измерений. Например, он помогает гравитационно-волновым обсерваториям, таким как LIGO, обнаруживать колебания пространства-времени. Для таких задач нужна предельная стабильность сигнала.

Раньше сжатый свет получали в виде длинных импульсов или непрерывных волн. Новая работа переносит эту технологию на уровень сверхбыстрых процессов.

Как это работает?

Исследователи взяли сверхкороткий лазерный импульс и разделили его на три одинаковых луча. После этого все три луча сфокусировали в одной точке на тонкой пластине из диоксида кремния.

Внутри этого материала происходит нелинейный оптический процесс, называемый четырехволновым смешением. Взаимодействие трех входящих световых волн создает четвертую — новый импульс света с другими свойствами. Этот новый импульс был сжат по амплитуде. Его интенсивность стала заметно стабильнее, чем у начального лазера, из-за возросшей неопределенности фазы. Так ученые получили самые короткие синтезированные импульсы сжатого света, охватывающие спектр от ультрафиолета до инфракрасного.

Главное открытие: неопределенность в реальном времени

Создание коротких импульсов — это техническое достижение. Но основное открытие касается самой природы неопределенности. Физики поставили вопрос: является ли квантовая неопределенность постоянной характеристикой импульса или она может меняться со временем?

Для проверки они начали управлять задержкой между тремя входящими лучами с аттосекундной точностью.

Когда все три импульса попадали в кристалл в один и тот же момент, степень сжатия была самой высокой. Амплитудная неопределенность была на минимуме. Но как только появлялась даже очень маленькая временная задержка — всего в несколько фемтосекунд — неопределенность начинала увеличиваться.

Это показывает, что квантовая неопределенность — не статическая величина. Это динамический процесс, которым можно управлять. Впервые ученые смогли в реальном времени увидеть, как изменяется одно из базовых свойств света. Они получили возможность включать и выключать квантовую стабильность, действуя на ее естественном временном отрезке.

Зачем это нужно?

У этой работы есть прямое и полезное применение — создание сверхбыстрых и полностью защищенных каналов связи. Исследователи предложили протокол квантовой коммуникации, работающий на петагерцовых частотах. Это в тысячи раз быстрее современных оптоволоконных сетей.

Схема работает следующим образом:

1. Кодирование. Отправитель создает последовательность импульсов сжатого света с уникальной формой. Информация — нули и единицы — закодирована в самой форме световой волны.
2. Передача. Отправитель посылает эти импульсы получателю.
3. Защита. Любая попытка перехватить и измерить сигнал сразу же разрушит его хрупкое сжатое состояние. Квантовые колебания амплитуды сильно возрастут. Получатель, который проверяет этот параметр, немедленно заметит вторжение.

Даже если бы кто-то смог измерить сигнал, не нарушив его квантовых свойств, это бы не дало результата. Без специального ключа нельзя расшифровать сложную форму световой волны. Система имеет двойной уровень защиты, который основан на законах физики.