генерация одиночных фотонов с объявлением

Переводчик в зале суда должен передавать каждое слово, не отвлекаясь на шум в зале. В квантовом мире роль такого переводчика играет сверхпроводящий резонатор, который должен терять фотоны строго по расписанию, не сбиваясь на посторонние эффекты.

Под электронным микроскопом белок предстаёт как серия размытых теней — сотни тысяч снимков одной и той же молекулы, сделанных под разными углами и отягощённых сильным шумом. Классический подход сначала восстанавливал по этим теням объёмную «дымку» — карту распределения электростатического потенциала внутри белка.

Регистрировать свет по одному фотону — всё равно что расслышать шёпот в грохочущем цехе. Камера с электронным умножением (EMCCD — Electron Multiplying Charge-Coupled Device) умеет именно это: единственный фотон, попавший в пиксель, она превращает в лавину электронов, которую уже можно измерить.

В тесной шеренге атомов, замерших на расстоянии меньше длины световой волны, прячется удивительное состояние. Возбуждение распределено по всем частицам так, что их излучение гасит само себя — это субизлучательное состояние, коллективная квантовая «тишина».

Тонкая плёнка дисульфида молибдена — толщиной менее микрона — работает как миниатюрная фабрика фотонных пар, встроенная прямо в разъём оптоволокна. Обычное оптоволокно — это не просто стеклянная нить для интернета.

В рамках Стандартной модели — нашего наиболее полного описания субатомного мира — электрический заряд всегда кратен заряду электрона: природа оперирует целыми единицами, словно строитель, использующий кирпичи строго определённого размера. Однако уравнения допускают существование частиц с двойным зарядом — билептонов.

Лазер бьёт по мишени из тонких проволочек — и за десятки фемтосекунд (миллиардных долей миллиардной доли секунды) выбивает из них поток протонов. Эти протоны влетают в конвертер из лития и дейтерия, где рождаются нейтроны.

Алмаз — самый твёрдый природный материал, и обычно он не проводит электричество. Но если добавить в его кристаллическую решётку немного чужеродных атомов, он может стать полупроводником, как кремний в компьютерных чипах.

Свет от лампочки или даже от обычного лазера напоминает толпу у выхода из метро: люди идут вразнобой, то густо, то пусто. Физики называют такое поведение дробовым шумом — это случайные колебания числа частиц, приходящих за секунду. Но в новом эксперименте удалось создать поток света, который ведёт себя иначе — как строй солдат, марширующих в ногу.

Лампочка, которая светит не потоком, а отдельными каплями — фотонами. Такие «капельные» источники называют одиночными излучателями. Они нужны для квантовой связи, где каждый фотон несёт бит информации, и для сверхточных измерений.

В огромном ускорителе частицы врезаются друг в друга, и иногда после удара остаются только два фотона — частицы света. Физики умеют предсказывать, как часто это происходит, но их расчёты долго не сходились с тем, что видели детекторы. Каждое уточнение теории меняло ответ, и согласия не было. Авторы новой работы сделали ещё один шаг в точности — добавили в расчёт следующий уровень поправок.

Свет от далёких звёзд проходит миллионы лет, но рентгеновские лучи не поймать обычным стеклом — они проходят сквозь него, как пуля сквозь бумагу. Поэтому для рентгеновских телескопов нужны особые линзы: стопки крошечных призм, которые мягко отклоняют лучи и собирают их в одну точку.

В двойной системе Cygnus X-3, расположенной в нашей Галактике, чёрная дыра и звезда-гигант обращаются настолько тесно, что звезда теряет вещество: его уносит мощный звёздный ветер. Из окрестностей чёрной дыры бьют релятивистские струи — узкие потоки плазмы, разогнанные до околосветовых скоростей.

Свет в оптоволокне — это поток фотонов, и для квантовой связи нужны одиночные фотоны, которые можно отправлять по одному. Но сделать так, чтобы они вылетали быстро и при этом были неотличимы друг от друга, — сложная задача.

Обычный свет — как толпа на площади: каждый фотон движется сам по себе, сталкиваясь и разлетаясь. Но в некоторых средах фотоны, как свора собак, начинают бежать вместе — группируются. Учёные создали лазер на случайном волокне, где световые частицы собираются в особенно плотные стайки. Это явление называется сверхгруппировкой фотонов.

Обычная лампа разбрасывает свет во все стороны, и предсказать, когда вылетит очередной фотон, невозможно. А для квантовых технологий нужен совсем другой свет — одиночные фотоны, которые появляются строго по одному, как письма из щели почтового ящика. Физики научились делать такие фотоны в оптоволокне — том самом, что уже опутывает города для интернета.

Свет падает на тонкую плёнку — и в ней мгновенно возникает электрический ток. Так работает пара из двух материалов: дисульфида молибдена и кобальта. Первый — полупроводник, второй — магнит. Между ними, как выяснилось, рождается невидимая прослойка-посредник.

Когда мощный лазерный импульс попадает в полупроводник, кристалл откликается излучением на множестве частот — словно струна, звучащая хором обертонов. Этот эффект давно служит инструментом спектроскопии для наблюдения сверхбыстрых процессов.

Квантовая точка размером с несколько тысяч атомов мигает, как неисправная лампочка. То вспыхнет ярко, то почти погаснет. Раньше считалось, что в тёмные моменты она испускает не только одиночные фотоны, но и лишние пары — а это брак для квантовой связи. Новые измерения на отдельных точках показали обратное: у некоторых точек в тусклом состоянии лишних фотонов меньше.

Если бы свет можно было разливать по бутылкам, учёные получили бы идеальный конвейер: одна бутылка — ровно один фотон, без капель мимо. Такие одиночные частицы света нужны квантовым компьютерам и защищённой связи: они переносят информацию, которую нельзя незаметно подслушать. Но выдавать фотоны по одному и точно в срок — задача посложнее, чем кажется.

Луч света, проходя через кусок стекла, обычно просто слегка изгибается. Но если внутри стекла выгравировать лазером тончайшие узоры, свет можно заставить разложиться на отдельные пучки, как белый свет расходится в радугу после дождя. Именно такую задачу решили авторы: они создали миниатюрный преобразователь света размером с крупинку соли — всего треть миллиметра в длину.

Лазерный импульс попадает в крошечную полость из прозрачного кристалла. Внутри свет мечется между зеркалами, и иногда один фотон расщепляется на пару: один летит в одну сторону, другой — в другую. Один из них становится сигналом, а второй — «звонком», который сообщает: одиночный фотон готов.

Тончайший лист полупроводника — как плёнка мыльного пузыря, только из атомов вольфрама и селена. Если ткнуть в него острой алмазной иглой, в этом месте появятся крошечные дефекты. При низкой температуре эти дефекты начинают светиться — но не сплошным потоком, а строго по одному фотону за раз.

Обычный 3D-принтер выдавливает пластик, как кондитер крем из мешка. Здесь вместо пластика — свет. Лазерный луч рисует в жидкой смоле, заставляя её затвердевать в нужных точках. Так рождаются детали, которые не разглядеть без микроскопа. До сих пор такие принтеры работали медленно: луч полз по поверхности, как перо по бумаге. Новая машина меняет игру.

Квантовая связь через спутник похожа на перекличку двух далёких маяков: луч должен попасть точно в детектор, иначе сообщение не прочитать. Но в космосе всё дрожит — солнечный свет нагревает корпус, двигатели дают вибрацию, и хрупкая оптика сбивается с оси. Тогда источник перестаёт выдавать пары запутанных фотонов, которые нужны для шифрования.

Луч фонарика в тумане рисует конус, но не может вырезать фигурку из облака. А голограмма — это как трафарет для света: он заранее знает, где собраться в яркие точки, а где остаться тенью. Теперь такой трафарет заставляет жидкую смолу твердеть сразу во всём объёме, без послойной печати.

Крошечная серебряная пылинка рождается в луче лазера и тут же начинает расти — быстрее, чем моргнуть глазом. Обычный микроскоп не успевает за такой скоростью, поэтому до сих пор никто не видел, как именно наночастица появляется и набирает размер. Теперь у учёных появился инструмент, который снимает это «кино» кадр за кадром.

Свет от обычной лампы — это хаос: фотоны разлетаются кто куда, без всякого порядка. Но если заставить множество атомов испускать свет одновременно и в такт, получается короткая мощная вспышка — как аплодисменты, которые из отдельных хлопков складываются в единый залп. Такое согласованное излучение называют сверхизлучением.

Свет, проходя сквозь узорчатую пластинку, складывается внутри прозрачной жидкости в объёмный рисунок. Там, где свет ярче, смола твердеет. Через 7,5 секунды из жидкости достают готовую деталь — с полостями, каналами и мельчайшими выступами. Обычный 3D-принтер печатает точку за точкой или слой за слоем.

Капля чернил падает в стакан воды — и вместо ровного пятна рождается кольцо, которое тут же начинает вращаться. Примерно так выглядит рождение скирмиона: свет, испущенный крошечным источником, закручивается в устойчивый вихрь. До сих пор такие вихри получали только от больших лазеров. Теперь их научились создавать от одиночных атомов прямо на чипе.

Обычный лазер выпускает фотоны по одному, как кран, капающий водой. А если нужно сразу несколько частиц света, родившихся в один и тот же миг? Физики заставили облако холодных атомов рубидия испускать четвёрки фотонов — как если бы кран вдруг выдавал по четыре капли разом, и каждая падала в свою пробирку. Облако охлаждают почти до абсолютного нуля, чтобы атомы едва шевелились.

Создать световой импульс с точным, наперёд заданным числом фотонов — задача, напоминающая чеканку ровно 100 000 монет без единого дефекта. До недавнего времени физикам удавалось контролировать лишь несколько десятков таких квантов света.

Концепцию квантовой телепортации предложил Чарльз Беннет, а экспериментально осуществил Антон Цайлингер. В основе лежит квантовая запутанность — состояние, при котором две частицы ведут себя синхронно, подобно двум листам, мгновенно воспроизводящим один и тот же рисунок.

Обычная квантовая связь напоминает почту, которая отправляет письма строго по одному. Если путь длинный, ответа приходится ждать неприлично долго. Физики ускорили процесс, запуская сразу десять «почтовых грузовиков» — световых импульсов — в одно оптоволокно, но в разные временные окна.

Лазер щёлкает с частотой десять миллионов раз в секунду, и каждый щелчок выбивает из полистирольной плёнки ровно один фотон. Не пучок, не сгусток — одну-единственную частицу света, аккуратно упакованную в пространстве и времени.

Масштабировать квантовый компьютер — всё равно что ткать паутину из света: каждая нить дрожит от теплового дыхания, грозя разорвать едва наметившийся узор.