Учёные впервые в режиме реального времени зафиксировали квантовую неопределённость с помощью сверхкоротких лазерных импульсов. Почти через век после формулировки принципа неопределённости Вернером Гейзенбергом исследователям удалось наблюдать его действие напрямую и мгновенно.
В основе результата лежит так называемый сжатый свет, объясняет автор работы Мохаммед Хассан, доцент кафедры физики и оптических наук. В квантовой оптике у света есть две связанные величины, их часто сравнивают с парой из положения и импульса частицы. Их нельзя измерить с бесконечной точностью одновременно, произведение погрешностей не может быть ниже определённого порога. Это похоже на воздушный шар, в котором количество воздуха постоянно. Обычный свет напоминает круглый шар, где неопределённость распределена равномерно между величинами. Сжатый свет похож на овал, одна величина становится тише и точнее, другая шумнее.
Такая «сжатость» уже помогает на практике. Детекторы гравитационных волн используют сжатый свет, чтобы подавлять фоновый шум и улавливать слабые колебания пространства. Раньше для этого применяли миллисекундные лазерные импульсы. Команда Хассана проверила, можно ли создавать сжатый свет на ультракоротких шкалах, во фемтосекундах, то есть в квадриллионных долях секунды. Главная техническая трудность заключалась в фазовом согласовании лазеров разных цветов. Исследователи смогли обойти сложные установки и предложили иной подход.
Они использовали четырёхволновое смешение, когда несколько источников света взаимодействуют и складываются. Один лазер разделили на три идентичные пучка и сфокусировали их в образце из плавленого кварца. Так удалось получить ультрабыстрый сжатый свет. Если раньше чаще уменьшали неопределённость в фазе фотона, то здесь команда добилась сжатия по интенсивности и впервые показала управляемость процесса в реальном времени. Поворачивая образец кварца относительно пучков, они переключали режим между сжатием интенсивности и фазы. Перпендикулярное положение приводит к одновременному приходу фотонов, небольшой угол даёт крошечную задержку одного из них, этого достаточно, чтобы изменить характер сжатия.
«Это первое демонстрирование ультрабыстрого сжатого света и первые измерения квантовой неопределённости в реальном времени с возможностью её управления», говорит Хассан. По его словам, сочетание ультрабыстрых лазеров и квантовой оптики открывает новую область под названием ультрабыстрая квантовая оптика.
Авторы уже применили метод к защищённой связи. Отдельно и ультракороткие импульсы, и сжатый свет известны как основы для быстрой и безопасной передачи данных, их объединение повышает и скорость, и устойчивость к перехвату. При попытке вмешательства нарушитель не только вносит возмущение в квантовое состояние, ему ещё нужно знать ключ и точную амплитуду импульса. Любая посторонняя интерференция меняет амплитудное сжатие, из-за этого нельзя правильно оценить неопределённость, расшифрованные данные оказываются неточными.
Перспективы не ограничиваются коммуникациями. Ультрабыстрый квантовый свет может преобразить квантовое чувствование, химию и биологию. Исследователи ожидают более точную диагностику, новые методы поиска лекарств и сверхчувствительные датчики для мониторинга окружающей среды.
В работе участвовали Мохамед Сеннари, Мохаммед ЭльКаббаш и коллеги из Барселонского института науки и технологии, Мюнхенского университета имени Людвига Максимилиана и Каталонского института исследований и передовых исследований. Результаты опубликованы в журнале Light Science and Applications.