Физики впервые наблюдали подлинную интерференцию трех фотонов

Две группы квантовых оптиков заявили об успешной реализации запутывания трех квантов света и наблюдения их интерференции. Причем полученная интерференция не может быть объяснена квантовыми взаимодействиями пар фотонов или отдельных фотонов с самими собой. Статьи опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Главным примером многофотонной квантовой интерференции является эффект Хонга—У—Мандела; впервые его наблюдали в 1987 году. В этом эксперименте два независимых фотона попадают через два входа на делитель луча. Если падающие фотоны различимы (в квантовом смысле), то исходящие поровну разделятся между двумя выходами. Если же на входах фотоны были идентичными и прибудут одновременно, то их волновые функции проинтерферируют, и оба фотона всегда окажутся вместе на одном выходе. И все это несмотря на то, что каждый по отдельности имеет одинаковую вероятность оказаться на каждом из выходов.

Многие группы ученых пытались достичь одновременной интерференции трех фотонов, однако до этого момента никому не удалось достичь сразу необходимого уровня точности квантового состояния на входе и создания необходимой установки, способной устранить все вклады от одно- и двухфотонных интерференций. В новых работах это наконец-то удалось сделать, причем на основе различных подходов.

Томас Дженивейн и его коллеги из канадского Университета Уотерлу воплощали теоретическую идею Гринберга, Хорна и Цайлингера, высказанную в 1993 году. Для этого необходим отдельный источник, который может испускать трехфотонное квантовое состояние, не обладающее независимыми запутанностями между любыми двумя фотонами. На этом пути главные проблемы технические, так как существующие схемы по получению мультифотонных состояний чрезвычайно неэффективны. Они придумали установку, производящую запутанное состояние трех фотонов посредством каскада спонтанных параметрических рассеяний (Spontaneous parametric down-conversion — SPDC). Это часто используемое в квантовой оптике явление порождает два запутанных фотона из одного высокоэнергетического в специальном нелинейном кристалле. В каскадной версии один из порожденных в первом рассеянии фотонов направляется в следующий кристалл. Затем каждый из фотонов отправлялся в интерферометр. Вероятность прихода всех трех частиц в один из двух выходов пропорциональна сумме фаз, набранных фотонами в интерферометре. Меняя фазы каждого фотона, физики смогли наблюдать колебания вероятности прихода трех фотонов одновременно, причем вероятность прихода двух фотонов оставалась одинаковой, что является указанием на истинную трехфотонную интерференцию.

Иэн Уолмсли с коллегами из Оксфордского университета исследовали трехфотонный аналог эффекта Хонга—У—Мандела. Они использовали собственную разработку — несколько практически идентичных SPDC–источников, размещенных на одном чипе. Вместо создания трех запутанных фотонов в одном нелинейном процессе, ученые начали с трех независимых частиц. Затем их запускали в оптоволоконный делитель луча с тремя входами и тремя выходами, известный как триттер. Вероятность, что все фотоны выйдут через разные выходы, зависит от двух ключевых параметров: различимости фотонов и так называемой триадной фазы, которая не равна нулю, только если три фотона частично, но не полностью различимы, в отличие от ситуации с двумя частицами. Изменяя время прихода фотонов и их поляризацию, авторы могли влиять на различимость фотонов и их триадную фазу независимо. Они получили сходные с первой группой результаты: вероятность прихода всех трех фотонов зависела синусоидально от триадной фазы, в то время как вероятность попадания двух фотонов была постоянной.

Переход от двухфотонных состояний к трехфотонным может показаться не очень впечатляющим результатом, но это начало пути по созданию мультифотонных состояний, как позволяющих исследовать новые аспекты квантовой механики, так и потенциально приводящих к новым применениям. К практическим областям, где подобные разработки могут найти применение, можно отнести квантовые вычисления и квантовую криптографию.