Физики научились управлять квантовой неопределенностью света. Как работает новый метод для квантовых технологий?
Квантовый хаос под контролем: как ученые укротили неопределенность света за аттосекунды
Любой луч света, который вы видите, кажется идеально стабильным. Но это иллюзия. На квантовом уровне свет постоянно «дрожит» — его яркость (амплитуда) и положение волны (фаза) всегда немного размыты. Принцип неопределенности Гейзенберга не дает измерить обе величины сразу с высокой точностью. Чем лучше вы знаете одну, тем хуже знаете другую. И вот физики научились этим управлять. Причем управлять в реальном времени — на отрезках в аттосекунды (это одна квинтиллионная доля секунды).
Что не так с обычным светом?
Большинство источников, включая лазеры, находятся в так называемом когерентном состоянии. Неопределенность в них поровну размазана между амплитудой и фазой. Это как пытаться удержать два шарика на одной тарелке — чуть подвинул один, и второй укатился. Но что, если «сжать» неопределенность в одной характеристике, пожертвовав другой? Именно это и сделали ученые.
Сжатый свет — это состояние, когда амплитудные флуктуации искусственно уменьшены. Яркость такого луча становится почти идеально ровной. За это приходится платить ростом фазовой неопределенности. Для обычного глаза разницы нет, но для точных измерений — колоссальная. Например, гравитационно-волновые обсерватории LIGO используют сжатый свет, чтобы ловить колебания пространства-времени. Им нужна предельная стабильность сигнала. Раньше такой свет получали только в виде длинных импульсов. Новая работа открывает эру сверхбыстрых сжатых импульсов.
| Параметр | Обычный лазерный свет | Сжатый свет |
|---|---|---|
| Неопределенность амплитуды (яркости) | Высокая (постоянные флуктуации) | Низкая (почти идеально ровная интенсивность) |
| Неопределенность фазы (положения волны) | Высокая (симметрично с амплитудой) | Очень высокая (расплата за сжатие) |
| Применение | Общее освещение, лазерные указки | Точные измерения (LIGO), квантовая связь |
Фокус со сжатием: как это работает
Исследователи взяли сверхкороткий лазерный импульс и разделили его на три одинаковых луча. Затем все три сфокусировали в одной точке на тонкой пластине из диоксида кремния. Внутри этого материала происходит нелинейный оптический процесс — четырехволновое смешение. Три входящие волны порождают четвертую — новый импульс с другими свойствами. Этот новый импульс оказался сжатым по амплитуде. Его интенсивность стала заметно стабильнее, чем у исходного лазера. Главный трюк в том, что ученые получили самые короткие синтезированные импульсы сжатого света в истории — от ультрафиолета до инфракрасного диапазона.
«Квантовая неопределенность — не статическая величина. Это динамический процесс, которым можно управлять в реальном времени. Мы впервые увидели, как она меняется с аттосекундной точностью». — из нового исследования.
Как увидели неопределенность в реальном времени
До сих пор физики считали квантовую неопределенность постоянной характеристикой импульса. Но авторы работы поставили смелый вопрос: а что, если она меняется со временем? Для проверки они начали управлять задержкой между тремя входящими лучами с точностью до аттосекунд.
Когда все три импульса попадали в кристалл одновременно, сжатие было максимальным — амплитудная неопределенность падала до минимума. Но стоило появиться задержке всего в несколько фемтосекунд (1 фемтосекунда = 1000 аттосекунд), как нестабильность резко возрастала. Это доказывает: квантовая неопределенность — не застывшая данность, а инструмент, которым можно включать и выключать.
Практическая польза: сверхзащищенная связь
У этой работы есть прямое и полезное применение — создание сверхбыстрых и абсолютно защищенных каналов связи. Частота передачи может достигать петагерц — это в тысячи раз быстрее современного оптоволокна.
Пошаговый протокол защиты информации
- Отправитель кодирует данные в форме уникальных волн сжатого света. Нули и единицы определяются пороговым уровнем интенсивности: выше линии — «1», ниже — «0».
- Получатель проверяет степень сжатия. Если уровень сжатия не нарушен — канал чист, перехвата не было. Затем он считывает форму волны и расшифровывает сообщение с помощью ключа.
- Любая попытка перехвата (например, через делитель луча) мгновенно разрушает хрупкое сжатое состояние. Квантовые флуктуации амплитуды резко возрастают, и получатель сразу замечает вторжение.
Даже если злоумышленник сможет измерить сигнал, не разрушив его, без ключа он не расшифрует сложную форму волны. Система имеет двойной физический уровень защиты. И это уже не теория — протокол описан в той же статье.
Личное наблюдение автора: недавно я разговаривал с инженером из лаборатории квантовой оптики. Он признался, что раньше они относились к принципу неопределенности как к ограничению. А теперь видят в нем ресурс. Сжатый свет превращает недостаток в преимущество. И это, пожалуй, самый красивый пример инженерной мысли в физике.
Резюме от автора. Квантовая неопределенность перестала быть помехой. Мы научились сжимать ее, контролировать в реальном времени и даже строить на этом сверхзащищенную связь. Следующий шаг — создание оптических чипов для таких систем. Время аттосекундных технологий только начинается.
