извлечение квантовой запутанности

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…

Представьте: барабанщик молчит, но по рисунку пауз вы угадываете, куда он не ударил. Похожий парадокс реализовали физики: они построили изображение, регистрируя не свет, а моменты абсолютной темноты. Картинка проявилась из тишины — из событий, где оба детектора одновременно показали ноль фотонов.

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.

Квантовая точка размером с вирус, зажатая между зеркалами, при короткой вспышке света рождает два фотона. Эти фотоны вылетают парой, и их поляризации — направления колебаний волн — связаны так, что, узнав одну, мгновенно знаешь другую. Такая связь называется запутанностью, и она нужна для квантовой связи и вычислений.

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.

Фонарик в густом тумане бесполезен: луч рассеивается, и отражённый свет тонет в помехах. Но если связать два фотона невидимой нитью, один из них может пройти сквозь туман и вернуться, а второй останется в безопасности. Такая связь называется квантовой запутанностью — когда две частицы ведут себя как единое целое, даже находясь далеко друг от друга.

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.

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.

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.

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.

Запутанные фотоны — квантовые частицы света, связанные так, что состояние одного мгновенно определяет состояние другого на любом расстоянии. Раньше для наблюдения этой связи требовались детекторы, регистрирующие отдельные фотоны в условиях, близких к абсолютной темноте.

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.

Лазер на кристалле ниобата лития оживает от тока в 40 миллиампер. Его свет делится на два ручейка, каждый проходит через шестимиллиметровый волновод, и там рождаются пары фотонов-близнецов. Один ручеёк поворачивает поляризацию своих близнецов, после чего оба потока сливаются в общее русло. На выходе — квантовая фабрика на ладони: 45 миллиардов запутанных пар в секунду при мощности всего 18.

Солнечный свет, собранный линзой Френеля и пропущенный через 20 метров пластикового волокна, имел мощность всего 3 микроватта — в миллион раз меньше, чем у типичной лазерной указки. Этого хватило, чтобы в нелинейном кристалле родились пары фотонов, связанные положением. Один фотон из пары проходил через объект, второй сканировался детектором, а совпадения рисовали изображение.