Тончайший водяной знак на мокрой бумаге — и запотевшее стекло перед глазами. Примерно так выглядит задача чтения квантовых состояний света: нежные узоры из фотонов искажаются потерями, а детекторы ловят лишь малую часть сигнала. Обычный подход — гомодинная томография — требует почти идеальных условий, но в реальном мире свет тускнеет, а приборы несовершенны.

Авторы работы предлагают иной путь. Свет пропускают через фазочувствительный параметрический усилитель — прибор, который работает как музыкальный резонатор. Он отзывается только на ноты определённой фазы, делая их громче, а шум — тише. Усиленный сигнал измеряют простым измерителем мощности, вроде бытового люксметра, но для квантового света. Затем математический алгоритм, похожий на решение головоломки с недостающими деталями, восстанавливает исходный узор. Метод не боится потерь и работает даже с детекторами посредственного качества.

Исследователи проверили свой подход на трёх типах состояний: одиночных фотонах, «котах Шрёдингера» (световых импульсах, существующих в двух фазах одновременно) и состояниях GKP — экзотических «гребёнках» из пиков, которые особенно устойчивы к ошибкам. Во всех случаях алгоритм точно восстанавливал форму состояния и даже измерял степень его неклассичности — так называемый звёздный ранг и отрицательность функции Вигнера. Эти величины показывают, насколько сильно состояние отличается от обычного лазерного луча.

Практическая ценность метода в том, что он объединяет три задачи в одной экспериментальной схеме: измерение с потерями, восстановление состояния и проверку его неклассичности. Не нужно перестраивать установку или менять детекторы. Это как если бы один и тот же прибор мог и слушать музыку, и определять ноты, и оценивать мастерство исполнителя. Для квантовых оптических технологий такой подход означает более быструю и дешёвую проверку сложных состояний, необходимых для вычислений и защищённой связи. Вода на бумаге становится видна, даже если стекло запотело сильнее обычного.