неразличимость фотонов

Свет, который не долетел до камеры, всё равно оставляет на ней свой след. Так работает новый метод съёмки: объект освещают одним цветом, а картинку собирают из другого. В кристалле световые волны смешиваются, и информация о невидимом переходит к видимому лучу. В опыте использовали кристалл серебряного тиогаллата — нелинейно-оптический материал, в котором два луча разного цвета идут через него под углом.

На стене — чередование светлых и темных полос. Это классическая интерференционная картина, где свет, складываясь, гасит сам себя. Ещё в XVII веке Христиан Гюйгенс выдвинул гипотезу: свет — это волна. Однако решающий эксперимент поставили Араго и Френель в начале XIX века.

Квантовый мир полон странных связей. Две частицы могут оказаться «спутанными»: состояние одной мгновенно влияет на другую, даже если их разделяют километры. Но как понять, спутаны ли они на самом деле? Это похоже на моток ниток: с первого взгляда не ясно, единый ли это клубок или просто перепутанные обрывки.

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.

Свет в своей природе симметричен: в открытом канале он распространяется в обоих направлениях с одинаковой интенсивностью. Чтобы заставить его двигаться преимущественно в одну сторону, физики традиционно прибегают к помощи магнитных полей.

Строй солдат шагает по плацу. Пока все держат ногу, движение остаётся чётким и слаженным. Но стоит кому-то сбиться — стройность теряется. В микромире роль такого строя играют электроны: когда их колебания синхронны, вещество излучает узкую, резкую линию. Как только синхронность пропадает — линия размывается.

Стеклянный чип, пронизанный 128 световодами, превращён в подобие квантового пинбол-автомата. Роль шариков исполняют фотоны — кванты света, а вместо механических флипперов маршрутами управляют микронагреватели, мгновенно изменяющие оптические пути. Экспериментальная задача: запустить до четырёх идентичных фотонов и зарегистрировать их итоговое распределение на выходе.

В подвалах четырёх европейских институтов стояли семь устройств — каждое можно сравнить с камертоном невообразимой точности. Только вместо звука они выдают «тиканье» из света: колебания лазера, запертого на определённой частоте атомами стронция, иттербия или ртути.

Два музыканта в разных комнатах играют одну ноту. Звук должен быть настолько одинаковым, чтобы слушатель не смог определить, кто играет. В квантовом мире роль таких музыкантов исполняют источники одиночных фотонов — частиц света, которые должны быть неотличимы друг от друга. Без этого не построить ни квантовый компьютер, ни защищённую сеть связи.

Два фотона вылетают из одной точки в груди пациента. Они — близнецы: изменив один, мгновенно узнаёшь о другом. Такая связь называется квантовой запутанностью. При ПЭТ-сканировании эти пары рождаются внутри тела, когда введённое радиоактивное вещество встречается с электронами тканей. Степень этой запутанности не постоянна.

Молекула дейтерия — два атома тяжёлого водорода — разлетается под ударом лазера. Один электрон вырывается, оставляя после себя ион. В этот момент они ещё связаны: направление одного сразу подсказывает, куда полетел другой. Такая связь называется квантовой запутанностью.

Охранник должен проверить пять комнат, но заходить внутрь ему нельзя. Он стучит в дверь и прислушивается: тишина означает, что внутри кто-то есть, а эхо — что комната пуста. Похоже работает измерение без взаимодействия: квантовая частица, например фотон, проходит мимо объекта и своим поведением выдаёт, был ли на пути поглотитель, хотя сам фотон в него не попал.

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.

Внутри кристалла нитрида бора иногда встречаются дефекты — места, где атомы выбиты или стоят не так, как положено. Один из таких дефектов, B-центр, умеет испускать свет: он поглощает энергию и отдаёт её в виде одного-единственного фотона. Это как крошечная лампочка, которая загорается только тогда, когда её попросят, и не даёт лишнего света.

Квантовые технологии часто используют свет, но не просто как лампочку, а как носитель информации. Один из способов — кодировать данные в частоте: каждый «цвет» фотона может быть отдельной ячейкой памяти. Проблема в том, что для работы с такими цветными состояниями нужна целая лаборатория: источник фотонов, фильтры, модуляторы, детекторы. Всё это громоздко и неудобно.

В XIX веке Джеймс Клерк Максвелл вообразил крошечного демона. Тот знает скорость каждой молекулы газа и открывает дверцу: быстрые — налево, медленные — направо. Так без затрат энергии возникает разница температур, что будто нарушает законы физики. Но разгадка — в информации: чтобы запомнить скорости и решать, демону нужна память.

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.

Свет бежит по лабиринту из зеркал и светоделителей, но в конце пути не просто вспыхивает на детекторе — он меняет сам себя. В новом фотонном компьютере к привычным линейным схемам добавили нелинейные модули, и теперь свет может выполнять любые квантовые операции, а не только часть из них.

Свет от одной лампочки обычно расходится во все стороны, и поймать его ровно поровну в несколько каналов — та ещё головоломка. В новой работе свет делится на девять одинаковых лучей без единой линзы или зеркала. Вместо этого — стеклянная пластинка с вытравленными дорожками-световодами, по которым свет сам растекается нужным образом.

Одиночный источник света в тонком слое нитрида бора вспыхивает и гаснет за пару наносекунд. Таких источников в материале можно создать много, но каждый из них долго работал сам по себе. В новой работе их заставили светиться вместе, как музыкантов, играющих в унисон. Для этого источники разместили на расстоянии меньше длины волны испускаемого света.

Свет одной-единственной молекулы — как одинокий голос в огромном хоре. Чтобы услышать его, нужен не микрофон, а тонкий инструмент, который ловит каждый фотон и отмечает время его прихода. Именно такой прибор собрали исследователи: он измеряет не только яркость и цвет свечения, но и то, как часто фотоны приходят парами — это называется статистикой второго порядка.

Согласно фундаментальным законам физики, ничто не может двигаться быстрее света в вакууме. Если бы сверхсветовой сигнал существовал, для некоторых наблюдателей он бы прибыл раньше, чем был отправлен, — следствие опередило бы причину.

Световой луч, отправленный с Земли на спутник, рассеивается в атмосфере — как фонарик в тумане. Чтобы сигнал не потерялся, нужен свет с короткой волной, который меньше расплывается. Такой свет рождается в специальных кристаллах, но их трудно уменьшить до размеров чипа.

Волоконный лазер со случайной обратной связью — это тонкая нить из стекла, по которой свет бежит, но отражается не от зеркал, а от мельчайших неоднородностей самого волокна. Такой лазер не выдаёт ровный луч: его свет дрожит и вспыхивает, как пламя свечи на сквозняке.

Свет от одного источника можно заставить «встретиться» с самим собой, и тогда на экране возникают полосы — как рябь от двух брошенных в воду камешков. Физики давно научились так делать с двумя фотонами, но заставить слиться сразу четыре частицы света было сложно: источники одиночных фотонов теряли слишком много частиц по дороге.

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.

В пустом концертном зале два музыканта играют одну партию. Сначала скрипка, потом виолончель — или наоборот. Так было всегда: у каждой ноты есть своё место во времени, свой «раньше» и «позже». Но что, если бы оркестр мог играть оба варианта сразу, в квантовой суперпозиции двух порядков?

Детектирование одиночного квантового излучателя напоминает настройку рояля в цеху с орущими станками: чистый тон захлёбывается в шуме. Но настройщик не пытается перекричать грохот — он берёт камертон и вслушивается в биения. Так даже едва слышный отзвук становится явным.