оптическое волокно

Конвейер на заводе выплёвывает детали строго по одной за такт. Если такт короткий, а брака мало, линия работает быстро. В квантовой оптике роль такого конвейера играет источник одиночных фотонов: он должен выдавать ровно один квант света за каждый цикл, и чем чаще циклы, тем больше фотонов уходит в оптоволокно.

Срез эвкалипта толщиной в десятую долю миллиметра кладут под поляризационный микроскоп, и древесина вдруг расцветает: синие, жёлтые, розовые полосы закручиваются спиралями, образуют кольца и вихри. Это не краска, а игра света: целлюлозные нити, из которых состоят клеточные стенки, по-разному пропускают свет в зависимости от своей ориентации.

Когда свет проходит сквозь мутную жидкость, например стакан с разболтанной глиной, он ослабевает — часть фотонов поглощается молекулами среды. На этом принципе основаны многие приборы для анализа жидкостей: измеряя долю потерянного света, можно судить о составе.

Данные в интернете путешествуют со скоростью света по оптоволокну. В классических сетях задержки не критичны, но для квантовой связи нужна идеальная синхронизация: фотоны — частицы света с закодированной информацией — должны сойтись на детекторе в один миг.

Свет от обычной лампочки кажется совершенно беспорядочным: волны в нём колеблются несогласованно, словно толпа, где каждый идёт в свою сторону. Такой свет называют некогерентным. Долгое время считалось, что изящные топологические структуры — узлы, кольца, зацепления — можно создавать только в когерентном лазерном свете, где все волны идут в ногу.

Камень падает в пруд, и по воде разбегаются круги. Если на пути кругов встретится торчащая коряга, часть ряби отразится, а часть обогнёт препятствие. Похоже ведут себя и гравитационные волны — рябь самого пространства-времени, — когда проходят мимо скоплений галактик или чёрных дыр.

Под городскими улицами лежит паутина из оптоволокна — сотни километров стеклянных нитей, по которым бежит интернет. Но точные карты этой паутины часто потеряны или устарели. Найти кабель под землёй — всё равно что искать на ощупь провод в стене, не зная, где он проходит. Новый метод превращает сам кабель в ухо. Оптоволокно, которое уже лежит в земле, улавливает малейшие колебания почвы.

В основе технологии — тончайшая полимерная нить с внедрёнными микроскопическими кристаллами-сцинтилляторами. Когда в такой кристалл попадает невидимая радиоактивная частица, он на мгновение испускает вспышку света — подобно светлячку в ночном лесу.

Квантовые компьютеры и датчики работают на микроволновых частотах, но передавать их сигналы на большие расстояния удобно по оптоволокну, где используется свет. Чтобы связать эти два мира, нужен посредник — устройство, которое переводит микроволны в оптические фотоны и обратно, не разрушая хрупкую квантовую информацию.

Квантовые компьютеры обещают решать задачи, которые обычным не по силам. Но их детали — квантовые биты — очень чувствительны. Один из вариантов таких битов — колебательный контур, который может находиться в двух состояниях, как маятник, качающийся влево или вправо. Эти состояния и хранят информацию.

Лазерная вспышка длительностью 50 фемтосекунд — это как выстрел, который длится одну миллиардную долю секунды. За это время свет успевает пройти всего 15 микрометров — меньше толщины человеческого волоса. Но если такую вспышку пропустить через усилитель, она начинает растягиваться, как резиновая лента, и теряет свою остроту.

Волокна в композитах, бумаге или биологических тканях часто скрыты от глаз, но их ориентация определяет прочность и свойства материала. Раньше, чтобы увидеть направления волокон, приходилось делать много снимков под разными углами и собирать трёхмерную картину — как будто нарезать батон тонкими ломтиками. Для тонких образцов такой подход не годится: ломтиков не нарезать.

Свет входит в крошечную полость с зеркальными стенками и попадает на атом эрбия, спрятанный в кристалле. Атом поглощает свет и перебрасывает своё ядро в другое состояние — как тумблер, который щёлкает от нажатия. Но тумблер этот не обычный: он живёт по законам квантового мира и может находиться в двух положениях одновременно.

Обычное оптоволокно — как стеклянная нить, по которой бежит свет. Но когда по ней одновременно посылают слабые квантовые сигналы (отдельные фотоны) и мощный классический лазерный свет, возникает беда. Стекло слегка рассеивает свет — это называется рамановским рассеянием. Оно создаёт шум, который забивает квантовые сигналы, как громкая музыка мешает расслышать шёпот.

Два фотона вылетают из маленькой коробочки — и ведут себя как близнецы, которые всегда одинаково одеты. Повернёшь одного — второй тут же повернётся так же, даже если их разнести на километры. Это не фокус, а квантовая запутанность: связь между частицами, которая не зависит от расстояния. Исследователи построили компактный источник таких пар.

Представьте устройство размером с песчинку: крошечное параболическое зеркало-тарелка удерживает одиночный атом рубидия и собирает его свечение — фотоны, испускаемые атомом под лазерным лучом.

Внутри большого ускорителя частиц царит невидимый ливень из гамма-лучей — как если бы стеклянную нить оставили под рентгеновским аппаратом, включённым на годы. Обычная электроника там быстро выходит из строя, а данные из детектора наружу нужно как-то передавать. Решение — оптическое волокно: тонкая стеклянная жила, по которой бежит свет.

Классическая теория гравитации Эйнштейна — общая теория относительности, описывающая тяготение как искривление пространства-времени — и квантовая физика крайне редко встречаются в прямых экспериментах.

Подобно турникету, пропускающему посетителей лишь в одном направлении, физики создали устройство на полупроводниковом чипе, которое направляет одиночные фотоны — кванты света — строго вперёд, блокируя обратный ход.

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.

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.

Луч видимого света входит в облако из миллиардов атомов рубидия, охлаждённых почти до абсолютного нуля, и выходит с другой стороны уже в телекоммуникационном диапазоне. Так выглядит работа переводчика, который не теряет смысл фразы: атомы принимают фотон на «языке» 795 нанометров и отдают его на «языке» 1367 нанометров, пригодном для путешествий по оптоволокну.

В тёмной комнате резонатор ловит свет, как паутина ловит капли росы. Лазерный импульс врывается внутрь — и механическая мембрана начинает дрожать в такт, оставляя след в самой ткани системы. Так рождается память: не в кремниевой ячейке, а в танце фотонов и фононов.