Линейка из света — так можно назвать новый метод измерения крошечных временных задержек. В 1987 году Чонг Ки Хонг, Чже-Юй Оу и Леонард Мандель заметили: если два неразличимых фотона одновременно попадают на светоделитель, они всегда выходят вместе из одного порта. Эта интерференция Хонга–У–Мандела стала тончайшим инструментом для измерения времени. Но у неё есть предел: фотоны должны приходить почти одновременно, в пределах своего когерентного времени (здесь — всего 0.44 пикосекунды). Если задержка больше, картина смазывается, и линейка перестаёт работать.

Физики из группы Мехула Малика нашли способ удлинить эту линейку. Они направили пары фотонов на дифракционную решётку и матрицу из восьми лавинных фотодиодов, которые регистрируют не только сам факт прихода фотона, но и его частоту. Частота — это цвет, или энергия фотона. Если фотоны приходят с разными частотами, они различимы, и интерференция исчезает. Но если частоты перекрываются, возникает квантовая интерференция даже при больших задержках. В эксперименте удалось измерить задержки до 4 пикосекунд с неопределённостью около 10 пикосекунд на одно совпадение — в десятки раз больше когерентного времени.

Ключевая идея в том, что частотное разрешение стирает информацию о том, какой фотон пришёл первым. Обычный детектор, не различающий частоты, видит лишь смазанную картину. А спектрально-чувствительная матрица раскладывает свет на отдельные частотные каналы, и в каждом канале интерференция восстанавливается. Это похоже на то, как шумный зал можно разбить на отдельные комнаты, и в каждой станет слышно собеседника.

До сих пор считалось, что для измерения таких задержек нужен неклассический свет — например, пары запутанных фотонов. Новая работа показывает, что обычный лазер, ослабленный до уровня одиночных фотонов, справляется не хуже. Это снимает ограничения по яркости и полосе, присущие источникам одиночных фотонов, и делает метод практичным. Уже сегодня его можно использовать в квантовой дальнометрии, синхронизации удалённых часов и оптической когерентной томографии — везде, где нужно точно измерить время прохождения света.

Будущее этой линейки из света — в увеличении числа пикселей и улучшении их временного разрешения. Тогда можно будет приблизиться к квантовому пределу точности и измерять ещё меньшие задержки. Возможно, мы научимся измерять поперечные смещения и другие параметры, где частотное разрешение также снимает вырождение. Так фундаментальная физика интерференции неразличимых фотонов превращается в рабочий инструмент для точных измерений.