Физикам удалось дважды зарегистрировать один и тот же фотон и при этом не разрушить его. В качестве двух детекторов они использовали оптические резонаторы на атоме рубидия, между которыми фотоны путешествовали по оптоволокну. Ученые показали, что такое последовательное детектирование фотонов позволяет увеличить вероятность их регистрации и уменьшить шум. В будущем такой метод регистрации может упростить и ускорить работу с фотонными кубитами. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
Обычно для того, чтобы зарегистрировать фотон, его необходимо поглотить. Это позволяет получить информацию о самом фотоне, но не дает возможности повторить такое измерение. Сама природа такого метода регистрации вносит ограничения на его возможности: так нельзя отследить эволюцию состояния одного и того же фотона во времени. Кроме того, в случае не идеальности детектора, фотон с определенной вероятностью может быть разрушен даже без его регистрации, а значит информация о нем будет потеряна.
Такие последствия особо неприятны в случае квантовых измерений, ведь в них состояние каждого конкретного фотона и его эволюция могут нести важную информацию. Тут особо полезными представляются концепт квантовых неразрушающих измерений, при которых сам факт измерения и его результат не влияет на неопределенности последующего измерения квантовой наблюдаемой при дальнейшей эволюции системы. На практике такой метод позволяет повторять одни и те же измерения без изменения их результата и обходить описанные выше проблемы разрушающих измерений.
Сами по себе квантовые неразрушающие измерения уже нашли применение в целом ряде областей: от детектирования гравитационных волн и астрономии до высокоточной метрологии. Такую методику используют при работе с индивидуальными ионами, сверхпроводящими кубитами и атомными ансамблями, но с фотонами все оказалось сложнее. Причиной стала сложность создания детекторов, которые были бы в состоянии зарегистрировать фотон без его поглощения. Концепты детекторов для однократного неразрушающего измерения фотонов разработали и реализовали как для микроволновых, так и для оптических фотонов, однако многократной регистрации одних и тех же фотонов пока достигнуть не удавалось.
Теперь же Эмануэль Дистант (Emanuele Distante) и его коллеги из Института квантовой оптики Общества Макса Планка дважды зарегистрировали оптический фотон без его разрушения. В качестве фотонных детекторов ученые использовали два оптических резонатора, каждый из которых представлял собой пойманный между маленькими зеркалами атом рубидия. Резонаторы были настроены на частоту определенного перехода между состояниями атома, а с помощью рамановских лазеров атом помещался в состоянии суперпозиции своих двух различных уровней. За состоянием атома рубидия в каждом детекторе следили с помощью отдельных лазеров, настроенных на частоту оптических резонаторов. Два детектора были соединены друг с другом оптоволокном длиной 60 метров. Кроме того, в начале схемы находился источник слабых когерентных фотонных импульсов с длиной волны 780 нанометров, а в конце — простой детектор одиночных фотонов. Ученые использовали фотонные импульсы вместо одиночных фотонов для того, чтобы исследовать поведение такой схемы детектирования в зависимости от среднего числа фотонов в импульсе.
Сама регистрации проходила по следующему принципу. Каждый из двух детекторов, следующих принципу квантовых неразрушающих измерений, был устроен так, что при попадании на него пучка фотонов атом рубидия в нем менял состояние, если число фотонов было нечетным (в том числе — один), и оставался в начальном состоянии в обратном случае. Фотонный импульс при этом отражался от детектора и направлялся в следующий детектор, а затем поглощался детектором одиночных фотонов. В результате ученые могли отслеживать, с какой вероятностью срабатывал каждый из детекторов, а также изучить суммарную эффективность регистрации. Оказалось, что максимальная эффективность двух детекторов при работе по одному составила 81,3 процента и 87.0 процента (отличия обусловлены качеством настройки каждого детектора), а при совместной работе она увеличилась до 95,1 процента.
Также физики показали, что совместное использование двух детекторов увеличивает и другой важный показатель регистрации фотонов — отношение сигнала к шуму. Этот параметр для комбинации двух детекторов оказался в 61 раз выше, чем для второго детектора, и в 227 раз выше, чем для первого детектора. Таким образом, квантовые неразрушающие измерения позволили существенно улучшить эффективность и качество детектирования оптических фотонов. Ученые отмечают, что уменьшение потерь при движении фотонов по оптоволокну между детекторами (в исследованной установке — 53 процента) и добавление разрешения по времени позволят использовать такую схему в качестве источника состояний Фока. Кроме того, такая система неразрушающих детекторов может быть использована для работы с фотонными кубитами и тем самым ускорить работу существующих квантовых алгоритмов.
Как уже было сказано, неразрушающие измерения особо полезны при работе с кубитами, и эту методику развивают не только для устройств на основе фотонов: такие измерения уже провели для кубитов на квантовой точке. А микроволновые фотоны без разрушения предложили регистрировать с помощью квантового метаматериала.