Продемонстрировано запутывание фотонов, существующих на разных отрезках времени

Физики из Еврейского университета в Иерусалиме экспериментально охарактеризовали запутывание пары фотонов, разнесённых во времени.

----------------------<cut>----------------------

Запутанность двух квантовых систем можно представить как появление между ними неклассических корреляций по какому-либо параметру, который может принимать по крайней мере два значения для каждой из систем. При этом измерение состояния первой системы будет мгновенно и однозначно определять состояние второй, находящейся на произвольном удалении. Столь необычное свойство, смущавшее Эйнштейна, Подольского и Розена, теперь рассматривается как проявление нелокальности квантовой теории.

Поскольку манипулировать фотонами сравнительно легко, в опытах, устанавливающих эту нелокальность, чаще всего используются именно они. Запутанные по поляризации состояния фотонов учёные создают с помощью нелинейных кристаллов, полагаясь на спонтанное параметрическое рассеяние — эффект «разделения» фотонов, падающих на кристалл, на пары частиц с суммарными энергией и импульсом, равными энергии и импульсу входных квантов света. Такие пары могут находиться в максимально запутанных состояниях, известных как состояния Белла.

Продемонстрировано запутывание фотонов, существующих на разных отрезках времени

Cпонтанное параметрическое рассеяние

Запутывания также можно достичь путём измерения состояний Белла, то есть проецирования совместного состояния двух частиц на базис состояний Белла. Эта операция заложена в общепринятый протокол квантовой телепортации и позволяет запутывать фотоны без всякого взаимодействия между ними, создавая две независимые запутанные пары квантов 1-2 и 3-4, а затем выполняя измерение состояний Белла над частицами 2 и 3. В результате запутанными оказываются частицы 1 и 4, которые вполне могут находиться на значительном расстоянии друг от друга.

Подобный «перенос запутывания» стал ключевым элементом очень интересного мысленного эксперимента с парадоксальным результатом, описанного сотрудником Израильского технологического института Ашером Пересом (Asher Peres) в 1999 году. Две созданные пары запутанных фотонов исследователь предложил разделять так, чтобы частицы 1 и 4 отправлялись первому и второму участникам опыта (Алисе и Бобу), а частицы 2 и 3 — третьему (Виктору). После этого Алиса и Боб должны провести измерения поляризации над своими фотонами и сохранить полученные данные. Затем Виктор решает, как ему поступить со своими фотонами (выполнять над ними измерение состояний Белла или измерять их по отдельности), реализует задуманное и сообщает о результатах Алисе и Бобу.

Как выяснилось, в такой ситуации решение Виктора, принятое им уже после измерения фотонов 1 и 4, будет определять, какие корреляции между частицами — квантовые или классические — обнаружат Алиса и Боб при анализе информации. Нелогичный эффект «влияния» действий в будущем на уже свершившиеся события был зарегистрирован в реальном эксперименте весной этого года, когда австрийские физики воспроизвели все необходимые элементы схемы Переса на лабораторном столе.

Продемонстрировано запутывание фотонов, существующих на разных отрезках времени

Временнáя диаграмма поставленного израильтянами опыта. I — рождение фотонов 1 и 2, II — регистрация фотона 1, III — рождение фотонов 3 и 4, IV — измерение состояний Белла над фотонами 2 и 3, V — регистрация фотона 4. (Иллюстрация авторов работы.)

Авторы новой работы пошли дальше и составили схему такого опыта, который наглядно демонстрирует нелокальность квантовой механики не только в пространстве, но и во времени. В их варианте методики фотон 1 измеряется (регистрируется) сразу после рождения запутанной пары 1-2, а его партнёр задерживается до появления пары 3-4, после чего состояние частиц 2 и 3 проецируется на базис состояний Белла. Когда квант 1 измеряется, он, естественно, не может «знать» о том, что вскоре будет создан фотон 4, однако эти два кванта, существующие на разных отрезках времени, теоретически должны обнаруживать квантовые корреляции. Иными словами, измерение фотона 4 должно влиять на физическое описание находящегося в прошлом фотона 1 (или измерение первой частицы должно влиять на будущее описание последней).
Продемонстрировано запутывание фотонов, существующих на разных отрезках времени

Непрерывный одночастотный кольцевой титан-сапфировый лазер TIS-SF-07

Эти выкладки израильтяне проверили с помощью титан-сапфирового лазера, работавшего в импульсном режиме с частотой следования в 76 МГц, нелинейного кристалла бета-бората бария, линии задержки на 105 нс (время, за которое лазер выдаёт восемь импульсов), однофотонных детекторов и набора стандартных оптических элементов. Как и ожидалось, наблюдения подтвердили факт запутывания фотонов 1 и 4.

Подготовлено по материалам arXiv.

Продемонстрировано запутывание фотонов, существующих на разных отрезках времени

***********************..............................+Спасибо!+