«Мы смогли проводить измерения с использованием фотонов — отдельных частиц света — с разрешением, недостижимым в соответствии с классической физикой», — говорит Ли Розема, доктор философии. кандидат в исследовательскую группу по квантовой оптике профессора Эфраима Штейнберга в Университете штата Калифорния, факультет физики, и один из ведущих авторов вместе с магистром наук кандидат Джеймс Бейтман в отчете об открытии, опубликованном сегодня в журнале Physical Review Letters. «Эта работа открывает путь к использованию запутанных состояний света для проведения сверхточных измерений».Многие из наиболее чувствительных существующих методов измерения, от сверхточных атомных часов до крупнейших телескопов в мире, основаны на обнаружении интерференции между волнами, которая возникает, например, при столкновении двух или более лучей света в одном и том же пространстве.
Манипулирование интерференцией путем создания фотонов в особом квантовом состоянии, известном как «запутанное» состояние — состояние, которое скептически настроенный Альберт Эйнштейн отвергает как предполагающее «жуткое действие на расстоянии» — при условии, что Розема и его коллеги искали для. В запутанном состоянии, которое они использовали, содержится N фотонов, которые гарантированно проходят один и тот же путь в интерферометре — либо все N идут по левому пути, либо все N идут по правому пути, но ни один фотон не покидает упаковку.
Эффекты помех измеряются в устройствах, известных как «интерферометры». Хорошо известно, что разрешение такого устройства можно улучшить, посылая через него больше фотонов — при использовании классических световых лучей увеличение количества фотонов (интенсивности света) в 100 раз может улучшить разрешение. интерферометра в 10 раз.
Однако, если фотоны приготовлены в квантово-запутанном состоянии, увеличение в 100 раз должно улучшить разрешение на тот же самый полный раз.Научное сообщество уже знало, что разрешение можно улучшить, используя запутанные фотоны. Как только ученые выяснили, как запутать множество фотонов, теория оказалась верной, но лишь до определенной степени. По мере того, как количество запутанных фотонов росло, вероятность того, что все фотоны достигнут одного и того же детектора в одно и то же время, стала астрономически малой, что делало метод бесполезным на практике.
Поэтому Розема и его коллеги разработали способ использования нескольких детекторов для измерения фотонов в запутанных состояниях. Они разработали экспериментальный прибор, который использует «волоконную ленту» для сбора фотонов и отправки их на матрицу из 11 однофотонных детекторов.
«Это позволило нам уловить почти все первоначально посланные многофотоны», — говорит Розема. «Отправка в наше устройство одиночных фотонов, а также двух, трех и четырех запутанных фотонов за один раз позволила значительно улучшить разрешение».Эксперимент U of T построен по предложению физика из Сингапурского национального университета Манкей Цанга. В 2009 году Цанг выдвинул идею размещения детекторов во всех возможных положениях, которых может достичь фотон, чтобы можно было регистрировать каждое возможное событие, независимо от того, попадают ли несколько фотонов в один и тот же детектор. Это позволило бы вычислить среднее положение всех обнаруженных фотонов, и это можно было бы сделать, не отбрасывая ни один из них.
Теория была быстро проверена с помощью двух фотонов и двух детекторов физиком из Оттавского университета Робертом Бойдом.«Хотя два фотона лучше, чем один, мы показали, что 11 детекторов намного лучше, чем два», — говорит Стейнберг, подводя итог своему прогрессу в отношении результатов Бойда. «По мере развития технологий с использованием высокоэффективных детекторных матриц и источников запутанных фотонов по запросу наши методы могут быть использованы для измерения все большего количества фотонов с более высоким разрешением».Об открытии сообщается в исследовании под названием «Масштабируемое пространственное сверхразрешение с использованием запутанных фотонов», опубликованном в номере журнала Physical Review Letters от 6 июня.
Он рекомендуется в качестве предложения редактора и сопровождается комментарием в журнале Physics, в котором описывается работа как жизнеспособный подход к эффективному наблюдению сверхразрешенных пространственных интерференционных полос, которые могут улучшить точность систем построения изображений и литографии.