Квантовый фильтр: как запутанность пробивает мутную среду ✛

‹›

Свет, проходя через биологическую ткань или матовое стекло, рассеивается и теряет изображение. Исследователи из Института нанонаук Парижа показали, что рассеивающую среду можно настроить так, чтобы она пропускала изображения, закодированные в корреляциях запутанных фотонов, но оставалась непрозрачной для классического света. Для этого они использовали пространственный модулятор света, который подбирает фазовую маску, сохраняющую квантовые корреляции. В результате среда превращается в квантово-классический фильтр: квантовый канал остаётся открытым, а классический блокируется. Это открывает путь к защищённой передаче информации и новым методам визуализации в сложных средах.

Эксперимент построен на спонтанном параметрическом рассеянии: ультрафиолетовый лазер с длиной волны 405 нм освещает нелинейный кристалл бета-бората бария, который рождает пары запутанных фотонов с длиной волны 810 нм. Объект кодируется в пространственных корреляциях этих пар: изображение восстанавливается из совпадений фотонов, зарегистрированных камерой с наносекундным временным разрешением. Сложная среда состоит из пространственного модулятора света и слоя парафильма. Чтобы найти нужную фазовую маску, исследователи численно оптимизировали корреляционное изображение, используя измеренную матрицу рассеяния и запутанное состояние-гид. В классическом режиме тот же объект освещался суперлюминесцентным диодом, а изображение регистрировалось обычной камерой.

После оптимизации среда становилась прозрачной для корреляционного изображения запутанных фотонов, но классическое изображение оставалось полностью размытым. В численных симуляциях с 50 различными некклассическими решениями средняя точность передачи для запутанного состояния составила 0.92, а для классического — лишь 0.25. Ключевой результат: изображение, закодированное в корреляциях сепарабельного (не запутанного) двухфотонного состояния, также не передавалось. Это доказывает, что фильтрация чувствительна именно к запутанности, а не просто к наличию корреляций. Эксперименты с разными средами — случайной фазовой маской, слоем полидиметилсилоксана толщиной 1 см и численно смоделированной толстой средой — подтвердили универсальность метода.

Работа вводит концептуальный сдвиг: сложную среду можно не только компенсировать, но и использовать как активный программируемый компонент квантовых технологий. В отличие от соседних работ, которые либо изучают распространение запутанных фотонов в рассеивающих средах, либо используют квантовую запутанность для улучшения классической визуализации, здесь среда сама становится квантово-классическим фильтром. Это первая экспериментальная демонстрация избирательной передачи изображений, основанной на физическом различии между запутанными и классическими состояниями, а не на вычислительной обработке. Метод может быть расширен на динамические среды, например, биологические ткани, если ускорить оптимизацию и регистрацию корреляций. Теоретически показано, что для произвольных запутанных состояний и сколь угодно сложных сред всегда существуют некклассические решения, реализуемые многоплоскостным формированием волнового фронта. Это открывает путь к квантовой визуализации в реальных условиях, где среда меняется во времени.