генерация фотонных пар

Квантовая связь похожа на передачу секретного письма, которое рвётся при любой попытке подглядеть. Пока такое письмо можно послать только по одной дороге, и это медленно. Учёные придумали, как пустить сразу 16 курьеров по 16 параллельным дорогам — разным частотам света — и проверили, что письма доходят целыми.

Бросьте два камешка в воду на некотором расстоянии друг от друга. Волны от них побегут навстречу и в некоторых местах погасят друг друга — вода станет гладкой, хотя каждый камень по отдельности создал бы рябь. Похожим образом ведёт себя пара фотонов — квантов света, рождённых в одном кристалле и разлетевшихся в разные стороны. Только вместо волн на воде здесь интерферируют их волновые функции.

Волчок крутится так быстро, что воздух вокруг него начинает вращаться в унисон. Примерно так же ведёт себя чёрная дыра: если она вращается, то может передавать свою энергию частицам, которые окажутся рядом. Этот процесс называют сверхизлучением — он похож на эхо в горах, только вместо звука рождаются новые частицы.

Загадка антивещества в космосе не давала покоя астрофизикам: откуда берутся позитроны, что снежинками оседают в детекторах? Ответ может прятаться в самом вездесущем гамма-фоне. Вселенная пропитана рассеянным светом — космическим фотонным фоном (CPB).

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.

Вы наливаете воду в стакан, но хотите получить ровно миллион капель — не приблизительно, а точно. Обычный кран льет струю, где число капель всегда разное. В квантовом мире с фотонами та же беда: лазер выдает свет, где количество частиц гуляет, как толпа на площади.

Два крошечных зеркала в вакууме — словно фигуристы в парном катании. Их колебания синхронизируются невидимой гравитационной нитью. При охлаждении до миллионных долей градуса выше абсолютного нуля эта нить превращает их в единую квантовую связь — состояние, при котором свойства объектов переплетаются так, что изменение одного мгновенно сказывается на другом.

Две нейтронные звезды — остатки погибших светил, сжатые до размеров города, но весом с целое Солнце — кружатся друг вокруг друга и в конце концов сталкиваются. В этот миг рождается нечто среднее между чёрной дырой и сверхмощным магнитом: поле в миллиарды раз сильнее, чем в самом мощном магнитно-резонансном томографе.

Оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, а вместе они создают сложную мелодию, — так выглядит облако атомов, чьи спины (собственные вращения, словно крошечные волчки) колеблются согласованно. Обычно эти волчки ведут себя независимо. Но стоит поместить их между двумя зеркалами и осветить — и происходит удивительное: свет и атомы начинают «петь» в унисон, запутываясь друг с другом.

Перед сборкой огромного пазла нужно наштамповать детали — иначе картинка не сложится. В квантовых компьютерах на основе слияния роль таких деталей играют крошечные сгустки света — фотонные ресурсные состояния. Их сталкивают и измеряют, чтобы постепенно вырастить вычислительную ткань.

Загадка квантовой гравитации тревожит умы почти век. Классическое поле, искривляющее пространство-время, отказывается вписываться в вероятностный мир суперпозиций. Может ли тяготение, оставаясь макроскопическим, порождать микроскопическую запутанность?

Когда электрическое поле достигает чудовищной силы, пустота перестаёт быть пустой. Ещё в середине прошлого века Юлиан Швингер показал, что вакуум буквально взрывается парами частица-античастица, если поле достаточно интенсивно. Этот процесс, родственный излучению Стивена Хокинга, долгое время оставался теоретическим курьёзом.

Фонарь светит сквозь густой туман. Свет рассеивается на каплях воды, и фонарь кажется размытым. Вокруг чёрной дыры происходит нечто похожее: горячий газ, как туман, окутывает её, а рентгеновские лучи из внутренних частей диска пробиваются сквозь это облако. Только «капли» здесь — электроны, а сам «туман» называют короной.

Свет — это не просто прямые лучи, а электромагнитные волны, способные закручиваться в пространстве, словно пара в вальсе. Их суммарную закрученность физики называют орбитальным угловым моментом, и долгое время считалось, что он подчиняется закону сохранения — фундаментальному принципу, который вытекает из симметрий природы, открытых Эммой…

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.

Два музыканта играют дуэтом. В идеальном зале они слышат друг друга идеально и постепенно входят в резонанс. Но попробуйте играть в комнате, где кто-то постоянно хлопает дверью. Казалось бы, ритм собьётся. А вот и нет: иногда именно этот случайный хлопок заставляет обоих подстроиться мгновенно. Примерно так ведут себя две квантовые частицы — кубиты — когда вокруг них шумит среда.

В тёмной комнате вспыхивает инфракрасный лазер, и кусочек чёрного порошка K3C60 на долю секунды начинает проводить ток без сопротивления. Свет бьёт на частоте 10 терагерц — это в тысячу раз быстрее, чем работает микроволновка. Эффект усиливается в сто раз по сравнению с другими частотами. Почему именно эта частота? Учёные построили компьютерную модель и нашли ответ.

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.

Два лазерных луча разного цвета падают на кристалл, и внутри него изредка рождаются тройки частиц света — как три монеты, выпавшие из одной щели автомата. Такой процесс впервые удалось наладить достаточно эффективно: за секунду получалось 11,6 троек. Лучи были зелёным и невидимым инфракрасным. В кристалле их энергия складывалась и превращалась в три новые частицы, которые разлетались в разные стороны.

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.

Край магнита работает как порожек гитары: струна, прижатая у самого края, звучит иначе, с более богатым набором обертонов. Примерно так же ведут себя магнитные волны в тонкой полоске из никеля и железа. Физики измерили, как волны намагниченности, бегущие по этой полоске, порождают волны с удвоенной и утроенной частотой.

Луч лазера бьёт в прозрачный кристалл, и тот отвечает целой радугой — от инфракрасного до невидимого ультрафиолета. Это не трюк с зеркалами, а работа нелинейного кристалла: он умеет складывать частоты света, как музыкант берёт на струне не только основной тон, но и обертоны.

Когда два луча света встречаются в кристалле, они могут породить третий луч с другой частотой. Чтобы этот процесс шёл эффективно, нужно, чтобы волны шагали в ногу — как два человека, которые идут рядом и не сбиваются с шага. Раньше для этого использовали два старых приёма: либо подбирали кристалл с нужными свойствами, либо нарезали его на тонкие слои.

В детекторе ATLAS на Большом адронном коллайдере протоны сталкиваются миллиарды раз в секунду. Среди этого потока физики выловили восемь событий, в которых после удара возникли сразу две Z-частицы и один фотон.

Солнечный свет — это бурный поток, несущий неразлучные пары капель. Так выглядит квантовая запутанность — явление, при котором две частицы настолько связаны, что колебание одной мгновенно отзывается в другой, даже на большом расстоянии. Раньше для создания таких пар требовалась «спокойная заводь» — идеально выверенный лазерный луч.

Кристалл оксида магния похож на строй солдат: атомы стоят ровными рядами, и по ним бежит электрон. Но стоит электрону задержаться, как ближайшие атомы слегка сдвигаются с мест — словно соседи по шеренге поворачивают головы. Электрон оказывается в ямке из смещённых атомов и уже не может двигаться свободно.

Кремниевая пластина — как тесто для печенья. Нагреваешь её в печи, и в глубине появляются крошечные изюминки — дефекты кристаллической решётки, которые умеют испускать одиночные фотоны. Такие «изюминки» называют центрами окраски, и они нужны для квантовых компьютеров и защищённой связи.

Одиночный ион кальция парит в вакуумной ловушке, удерживаемый электрическими полями, как горошина в невидимой чаше. Вокруг него — два зеркала, образующие оптическую полость: свет мечется между ними, усиливая взаимодействие с ионом.

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.

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.

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.

Два фотона, как две половинки одной монеты, разлетаются на десятки километров, но остаются связанными: измеришь одну — мгновенно узнаешь состояние другой. Это свойство называют запутанностью, и оно лежит в основе квантовой связи.

Кот Шрёдингера обычно прячется в мысленных экспериментах — живой и мёртвый одновременно. На этот раз его поймали в лаборатории: световой импульс заставили быть сразу в двух противоположных состояниях, как монету, зависшую в воздухе орлом и решкой разом.

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.

Кристалл без центра симметрии похож на лестницу, у которой все ступеньки наклонены в одну сторону: электроны, получив толчок от света, скатываются преимущественно в одном направлении. Так рождается постоянный ток — фотогальванический эффект.

Физики впервые реализовали состояние, в котором три фотона — кванта света — образуют единую запутанную систему, а не просто попарно коррелированы. Для этого потребовался специализированный фотонный чип, охлаждённый до температур, в сотни раз более низких, чем температура реликтового фона космического вакуума.

В 1989 году Джон Уилер сформулировал дерзкую идею: «it from bit» — всё сущее из информации. Долгое время это оставалось красивой метафорой, но теперь физики нашли конкретный механизм, превращающий биты в частицы. Оказалось, что энтропия запутанности — мера квантовой связанности — может играть роль дирижёра, управляющего рождением вещества.