Scientific.ru
Новости науки
29.07.02. Квантовый оптический катализ

Что такое катализ, понятно - это изменение скорости химической реакции в присутствии веществ, называемых катализаторами. А вот что такое оптический, да еще квантовый катализ? Именно так назвали немецкие ученые процесс генерации неклассических состояний света (суперпозиции однофотонного и вакуумного состояний электромагнитного поля) с использованием обычных оптических элементов, в котором один фотон играет роль "катализатора".

Под неклассическим светом, как может быть ясно из названия, понимается свет, наблюдаемые свойства которого не могут быть описаны в рамках классических представлений. Например, любое состояние поля с целым числом фотонов (однофотонное, двухфотонное и пр.) является неклассическим. Изучение статистических свойств света происходит путем исследования статистики фотоотсчетов детекторов (очень часто исследуются корреляции фотоотсчетов при совместной работе двух детекторов). Неклассичность света в таких экспериментах проявляет себя в изменении статистики фотоотсчетов: например, если для обычного (классического) света возможно наблюдение только так называемой "группировки" фотонов, когда регистрация фотона одним детектором увеличивает вероятность регистрации фотона другим детектором, то для неклассического света может наблюдаться противоположный эффект - "антигруппировка" фотонов, когда регистрация фотона одним детектором уменьшает вероятность регистрации фотона другим детектором (пояснение, в чем причина этого, см. в нашей новости ).

Неклассические состояния света надо специальным образом приготовлять - вопреки распространенным представлениям однофотонные (двухфотонные и пр.) состояния поля вовсе не являются чем-то само собой разумеющимся. В частности, одной из важных для практических приложений задач является приготовление однофотонных состояний - создание источников одиночных фотонов (про разрабатываемые твердотельные источники одиночных фотонов см. новость ).

Особенностью квантовой оптики, как, впрочем, и вообще квантовой механики, является то, что часто достаточно сложно составить себе какие-то удобные наглядные представления. К примеру, представить себе однофотонное состояние поля вроде бы несложно ("летит один фотон"). А вот как наглядно представить себе состояние поля, являющее когерентной суперпозицией нулевого (вакуумного) и однофотонного состояний поля (a |0> + b |1>)? Такое состояние, очевидно, плохо вяжется с наивной корпускулярной картиной (или "ничего нет", или "есть один фотон"). Недавняя работа немецких ученых [1] посвящена приготовлению и исследований состояний такого типа (не так давно подобные же состояния были приготовлены несколько другим способом - [2]).

Каким же образом приготовить такое "хитрое" состояние поля? Для этого исследователи заставили провзаимодействовать два состояния - однофотонное |1> и когерентное |a >. Сначала, однако, требовалось приготовить однофотонное фоковское состояние |1>; для этого использовался процесс спонтанного параметрического распада фотона накачки, распространяющегося в среде с квадратичной нелинейностью (кристалле BaB2O4). При распаде фотона накачки образуется пара запутанных фотонов , затем один из пары фотонов детектируется и это срабатывание детектора сигнализирует о том, что а) была создана пара фотонов, б) остался один фотон. Когерентное состояние |a > - это просто сильно ослабленное фильтрами излучение того же лазера, который (после удвоения частоты) использовался для освещения кристалла BaB2O4.

  qoc-gnsl.jpg
Рис.1. Принципиальная схема эксперимента; стрелкой показан светоделитель (полупрозрачное зеркало с достаточно высоким коэффициентом отражения).
 

Далее для приготовления требуемого состояния "из исходных компонентов" использовалось столь простое оптическое устройство как светоделитель (см. рис.1) - на нем происходило смешение двух исходных световых пучков (подобно тому, как в стандартной схеме квантовой телепортации происходит запутывание фотонов при смешении на светоделителе (обычно это полупрозрачное зеркало)). В результате взаимодействия образуется новое (запутанное, как и в упомянутом примере с двумя фотонами) состояние поля. Если после образования нового состояния детектор в одном из выходных каналов (SPD на рисунке) фиксирует приход фотона (это означает, что над полученным состоянием произведено измерение), то состояние поля в сигнальном канале (signal state на рисунке) оказывается суперпозицией вакуумного и однофотонного состояний, а вовсе не когерентным состоянием. Меняя величины a и коэффициент пропускания полупрозрачного зеркала (светоделителя), можно менять "долю" однофотонного и вакуумного состояния в этом неклассическом состоянии света. Например, увеличивая a при (малом) постоянном коэфициенте пропускания, можно постепенно переходить от классического (вакуумного) состояния поля к неклассическому однофотонному.

Слово "катализ" применяется потому, что фотон, участвующий в "преобразовании" когерентного состояния поля в суперпозицию вакуумного и однофотонного, как бы остается неизменным (нужно, конечно, понимать условность этой терминологии: невозможно сказать, "откуда родом" зарегистрированный детектором фотон - из |1> или |a >).

Можно задать вопрос, имеет ли создание подобных неклассических состояний поля какое-нибудь практическое значение? Имеет: такие эксперименты важны не только в плане развития "вообще" сравнительно нового направления физики - квантовой информации, в перспективе они могут привести к созданию оптических квантовых компьютеров . С подобными (a |0> + b |1>) состояниями поля можно работать при реализации квантовых информационных протоколов, что продемонстрировали недавние эксперименты итальянских и английских ученых [3] - в этих экспериментах была реализована телепортация состояния, представляющего собой как раз суперпозицию однофотонного и вакуумного состояний электромагнитного поля. При этом, если в стандартной схеме квантовой телепортации необходимо три фотона (см. упомянтую новость ), то в данной схеме "физически" требовалось всего два фотона, рождаемых в процессе спонтанного параметрического распада фотона накачки.

1. A.I.Lvovsky and J.Mlynek. Phys.Rev.Lett., v.88, 250401 (2002).

2. K.J.Resch, J.S.Lundeen, and A.M.Steiberg. Phys.Rev.Lett., v.88, 113601 (2002).

3. Egilberto Lombardi, Fabio Sciarriano, Sandu Popescu, and Francesco De Martini. Phys.Rev.Lett., v.88, 070402 (2002).

Е.Онищенко.

Обсудить на форуме


На главную страницу