Физики научились детектировать фотоны без изменения их состояния

Схема из статьи исследователейИзображение: Reiserer, A., Ritter, S. & Rempe, G. Science (2013)

Немецкие физики разработали метод, позволяющий им обнаружить фотон без его поглощения. Это позволяет либо зафиксировать наличие частицы несколько раз подряд и за счет этого повысить эффективность детектора, либо заметить фотон без изменения его квантового состояния. Последнее необходимо для разработки квантовых вычислительных систем. Подробности приведены в статье ученых для журнала Science.

Разработанное физиками из Института квантовой оптики Общества Макса Планка устройство использует атом, заключенный между двумя зеркалами (одним практически идеальным и одним полупрозрачным) в микроскопическую полость. Размеры и форма полости подобрана так, что в ней возникают электромагнитные колебания только определенной частоты: энергия которых совпадает с энергией атома в одном из состояний. Атом в этом состоянии может взаимодействовать с падающими на него квантами и отражать их, но при этом его состояние поменяется. Такую идею, как пишут исследователи, предлагали и ранее (она принесла Нобелевскую премию 2012 года Сержу Арошу и Дэвид Уайнленду), однако реализовать ее на практике и с использованием не микроволн, а видимого или инфракрасного света удалось впервые.

Ученые уточняют, что в их системе атом находился изначально в суперпозиции двух состояний, из которых только одно (условно обозначенное как «|2>») позволяло отразить квант света. После отражения эта суперпозиция менялась и авторы исследования нашли способ определить то, каким образом это произошло. Тем самым они детектировали фотон не за счет его поглощения, а за счет его отражения.

Это обнаружение фотонов без их поглощения может пригодиться как для повышения эффективности детекторов (если частицу пытаться зафиксировать несколько раз подряд, вероятность обнаружения растет), так и в квантовых вычислительных устройствах, где нужно сохранить состояние частицы для дальнейших манипуляций в неискаженном виде.

Квантовые вычислительные устройства пока находятся на стадии лабораторных прототипов с сомнительной эффективностью. Одной из проблем, которую ученым необходимо решить для создания работающих квантовых компьютеров, является сохранение квантового состояния системы на протяжении достаточно долгого времени.