Свет имеет фундаментальное значение. Это позволяет нам видеть мир вокруг нас и делать снимки нашего окружения. Он обеспечивает связь на больших расстояниях через оптоволокно.
Все современные методы обнаружения света имеют общее свойство: поглощение и, следовательно, разрушение фотона. Было давнишней мечтой иметь возможность наблюдать, как пролетают отдельные фотоны, не поглощая их. Группа ученых из отдела квантовой динамики профессора Герхарда Ремпе из Института квантовой оптики Макса Планка впервые реализовала устройство, которое оставляет фотон нетронутым при обнаружении.
В эксперименте падающий фотон отражается от оптического резонатора, содержащего один атом, приготовленный в состоянии суперпозиции. Отражение изменяет фазу суперпозиции, которая затем измеряется для отслеживания фотона. Новый метод открывает перспективу для значительного увеличения эффективности обнаружения одиночных квантов света и имеет важное значение для всех экспериментов, в которых фотоны используются для кодирования и передачи квантовой информации.Ключевые элементы в эксперименте — одиночный атом рубидия и оптический резонатор.
Последний представляет собой резонатор для света, состоящий из двух зеркал с высокой степенью отражения на очень небольшом расстоянии. Атом захвачен в центре полости, где световые силы сильно ограничивают его во всех трех измерениях. Он имеет два разных основных состояния, каждое из которых характеризуется своей конкретной энергией перехода в следующее возбужденное состояние.
Для проверки детектора полость облучается серией очень слабых лазерных импульсов, которые в среднем содержат намного меньше одного фотона.В одном из своих основных состояний атом находится вне резонанса как с полостью, так и с падающим фотоном. В этом случае фотон войдет в резонатор, но не будет взаимодействовать с атомом.
Из-за особых свойств полости фотон покинет ее по тому же пути, по которому он вошел. В другом основном состоянии атом находится в резонансе как с полостью, так и с падающим фотоном. В этом случае атом и полость представляют собой сильно связанную систему со свойствами, заметно отличающимися от свойств отдельных систем.
В отличие от первого случая фотон, находящийся в резонансе с полостью, не имеет возможности попасть в нее. Вместо этого он отражается от первого зеркала.
В любом случае хрупкий квант света скорее отражается, чем поглощается и разрушается.«Однако фотон оставил свой след в атоме», — объясняет Андреас Райзерер, докторант эксперимента и первый автор публикации. «Хитрость заключается в том, что мы подготавливаем атом в суперпозиции двух основных состояний. В тот момент, когда фотон отражается от полости, резонансное состояние испытывает фазовый сдвиг относительно нерезонансного.
Этот фазовый сдвиг может быть считываются из атома. Таким образом, фотон пережил свое обнаружение, сохранив свои свойства, например форму импульса или поляризацию, нетронутыми ».Фазовый сдвиг состояния атома обнаруживается с помощью хорошо известной техники: «Грубо говоря, атом загорается при зондировании после отражения фотона», — говорит доктор Стефан Риттер, ученый, участвовавший в эксперименте.
Чтобы доказать, что неразрушающее обнаружение работает, отраженные фотоны также регистрируются обычными фотодетекторами. «Таким образом, мы обнаруживаем фотон дважды, что невозможно с помощью одних только деструктивных детекторов. В нашем экспериментальном эксперименте мы достигли эффективности обнаружения одного фотона 74%, что уже превышает 60% типичного разрушительные детекторы ". — говорит Риттер. «Достигнутая ценность принципиально не ограничена, это связано с некоторыми недостатками, над которыми мы можем работать в будущем».
Возможность наблюдать одиночные фотоны, не разрушая их или не изменяя ни одну из их степеней свободы, открывает перспективу для ряда новых экспериментов. Одиночный фотон можно многократно обнаруживать, комбинируя несколько неразрушающих устройств.
Это также предоставляет новые возможности для использования одиночных фотонов в квантовой связи и квантовой обработке информации. Успешная передача фотона в квантовой сети может быть обнаружена без разрушения хрупкой квантовой информации, закодированной в ней. Основываясь на механизме, используемом для обнаружения однофотонов, также должно быть возможно реализовать детерминированный универсальный квантовый вентиль между отраженным одиночным фотоном и одиночным атомом и даже между двумя фотонами.
Поскольку квантовые ворота являются функциональными строительными блоками квантового компьютера, это давняя мечта оптических квантовых вычислений.