Эксперименты с парами запутанных фотонов представляют не только фундаментальный интерес, но и перспективны с точки зрения практических приложений (квантовая криптография, бифотонная литография и др. Однако, для практических применений очень важно изучение поведения бифотонного волнового пакета в диспергирующей среде. Экспериментальные исследования поведения бифотонного света в оптоволокне проведены исследователями из Мэрилендского универстета и МГУ.

Рис.1. Схема эксперимента.

Пара запутанных (сцепленных) фотонов представляет собой квантовомеханическую систему из двух фотонов, которую нельзя описать так, как если бы каждый фотон вел себя независимо от другого. Если мы произведем измерение над одним фотоном из пары, мы можем точно предсказать, каков будет результат измерения, произведенного над другим фотоном, хотя фотоны могут быть сколь угодно далеко пространственно разнесены и - в рамках классического подхода - воздействие на одну из частиц не могло бы повлиять на состояние другой частицы. Именно пары запутанных фотонов играют ключевую роль в широко известном явлении квантовой телепортации . Как правило, в настоящее время большинство экспериментов проводится с парами запутанных фотонов, генерируемыми в результате спонтанного параметрического распада фотона накачки, распространяющегося в среде с квадратичной нелинейностью (обычно - в кристалле BaB₂O₄), но в настоящее время ведутся активные исследования по возможности генерации пар запутанных фотонов с использованием полупроводниковых квантовых точек (см., например, новость от 12.11.01 .)

На практике фотоны, как правило, "путешествуют" по оптоволоконным линиям связи, т.е. в среде с дисперсией. Бифотонный свет в определенном отношении они должен вести себя в такой среде подобно обычному (однофотонному) световому импульсу, спектральный состав которого при прохождении по оптоволокну не меняется, в то время как форма импульса претерпевает изменение - импульс уширяется. Но, в отличие от обычного света, для бифотонных импульсов нужно говорить не об "отдельных импульсах", связанных с сигнальным и холостым фотонами пары, и их уширении, а об изменении другой характеристики (временной корреляционной функции второго порядка).

Как правило, изучение статистических свойств света происходит путем исследования статистики фотоотсчетов детекторов. Данные о корреляционной функции второго порядка получают путем регистрации статистики фотоотсчетов двух детекторов. Совпадение фотоотсчетов детекторов фиксируется, если оба детектора срабатывают одновременно в пределах некоторого "временного окна". В большинстве экспериментов допустимый интервал между срабатываниями детекторов (временное окно) достаточно велик (значительно превышает ширину корреляционной функции) и информация о форме корреляционной функции теряется. Но для реализации практических применений, сопряженных с передачей бифотонных (и многофотонных) волновых пакетов по оптоволоконным линиям связи, необходимо исследовать влияние свойств среды (оптоволокна) на свойства волнового пакета. Исследование "размывания" двухфотонного волнового пакета в диспергирующей среде было проведено в работе американских и российских ученых [1].

Рис.2. Сигнал многоканального анализатора, отображающий корреляционную функцию второго порядка, полученный при прохождении света через 500 м оптоволокна. Сплошная линия - результат теоретических расчетов.

Для того, чтобы получить такую информацию, исследователи применили регистрирующую систему с высоким временным разрешением (порядка нескольких сотен пикосекунд). Для получения пар запутанных фотонов кристалл BaB₂O₄ облучался аргоновым лазером (длина волны 457.9 нм), затем свет с этой длиной волны отрезался с помощью зеркала и фильтра (см. схему эксперимента на рис.1), а бифотонный свет вводился в оптоволокно различной длины (либо производились измерения без оптоволокна). На выходе из оптоволокна свет проходил через поляризационный делитель пучка (PBS) и сигнальный и холостой фотоны попадали на детекторы D1 и D2. Сигнал с первого детектора поступал на вход "start", со второго - на "stop", величина временного интервала между приходом импульсов фототока преобразовывался в электрический импульс соответствующей величины, поступавший на многоканальный анализатор (MCA). Таким образом ученые имели возможность регистрировать размывание бифотонного волнового пакета в диспергирующей среде.

В отсутствии оптоволокна ширина сигнала MCA определялась временным разрешением системы регистрации, так как собственная ширина корреляционной функции порядка 60 фс. Зато при прохождении через оптоволокно действительно наблюдалось заметное размывание бифотонного волнового пакета - ширина корреляционной функции достигала нескольких наносекуд (рис.2).

Исследователи отмечают, что в принципе имеется возможность и обратного эффекта - компрессии бифотонного волнового пакета, основанная на тех же принципах, что и компрессия коротких лазерных импульсов. Видимо, подобные эксперименты уже не за горами.

1. Alejandra Valencia, Maria V.Chekhova, Alexei Trifonov, and Yanhua Shih. Phys.Rev.Lett., v.88, 183601 (2002).

Е.Онищенко.