Теперь, в исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, ученые из Университета Бар-Илан наблюдали точку, в которой сходятся классическое и квантовое поведение. Используя нелинейный процесс на основе волокна, исследователи смогли наблюдать, как и при каких условиях «классическое» физическое поведение возникает из квантового мира.
Вверх и из "запутанности"В квантовом мире пары фотонов «запутаны» — связаны так, что измерения, выполненные на одном, влияют на другой, даже если они находятся на большом расстоянии.
Эта концепция, которую Альберт Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии», приводит к другому противоречащему интуиции утверждению: в отсутствие наблюдения фотоны существуют во всех возможных состояниях одновременно.Используя хорошо зарекомендовавшую себя технику, называемую широкополосным четырехволновым смешением (FWM), ученые запустили лазер через оптическое волокно, генерируя запутанные пары фотонов или бифотоны.«FWM — важный источник одиночных бифотонов для схем квантовой связи, особенно для волоконно-оптических приложений», — говорит первый автор публикации Рафи Веред. Веред — аспирант, чью работу курируют доктор Ави Пеер и профессор Майкл Розенблух, преподаватели факультета физики Университета Бар-Илан и Института нанотехнологий и перспективных материалов Бар-Илана (BINA).
«Вместо того, чтобы генерировать бифотоны с помощью лазерных импульсов высокой или малой мощности — что заставило бы систему демонстрировать либо чисто классическое, либо квантовое поведение — мы сосредоточились на режиме промежуточной мощности. На этом промежуточном уровне мощности мы были способен наблюдать точку перехода, где происходит переход между «жутким» квантовым поведением и «классической» волновой физикой ».Диаграммы мощности, импульса и помехЭкспериментальная установка исследователей была сосредоточена на уникальном явлении интерференции, которое влияет только на пары фотонов, но не на отдельные фотоны.
Количественная оценка этой интерференции стала возможной благодаря созданию своего рода оптической «полосы препятствий», в которой можно было выявить двойную природу света — охватывающую как волнообразное, так и корпускулярное поведение.«В нашем эксперименте мы исследовали способ, которым фотонные пары действуют как частицы, но также представляли волновые структуры интерференции», — объясняет Пеер, добавляя, что этот эффект сильно связан с квантовой запутанностью между двумя фотонами бифотонная пара. «Мы смогли управлять этой интерференцией, введя аттенюатор — светоделитель — который намеренно нарушал квантовую запутанность между фотонами».
По словам Пеэра, прохождение света через аттенюатор лишает многие фотоны их двухфотонных партнеров, и в результате вероятность того, что неповрежденная пара фотонов пересечет аттенюатор, намного ниже, чем вероятность того, что один фотон пересечется сам по себе. Это изменение, которое значительно снижает помехи, связанные с би-фотонами, было осуществлено непосредственно учеными посредством применения различных уровней мощности лазера.«Мы сгенерировали бифотонные пары, испуская лазерные импульсы в большом диапазоне уровней мощности, — объясняет Веред, — и мы обнаружили, что, когда количество пар бифотонов меньше определенного предела, их свойства должны описываться квантовыми параметрами. механика.
Однако, когда большее количество пар успешно проходит, их поведение может быть хорошо предсказано классическими физическими принципами. Это позволило нам определить «точку перехода», в которой квантовая природа света «схлопывается», чтобы соответствовать правила, которые управляют классическим неквантовым миром ".
Сверхбыстрое двухфотонное обнаружениеЕще одно достижение, отмеченное в публикации PRL, — это способность ученых обнаруживать бифотоны с беспрецедентно высокой скоростью.«Наша лаборатория является мировым рекордсменом по генерации и передаче одиночных би-фотонов (до 1014 би-фотонов в секунду)», — говорит Пеер, эксперт в области квантовой оптики и лазерной физики.
Он добавляет, что до этой недавней работы такое рекордное количество бифотонов рассматривалось не как особенность, а как ошибка.«В этом исследовании мы представили основанный на волокне нелинейный процесс для генерации би-фотонов — пар запутанных квантов энергии», — говорит Пеер, объясняя, что результирующий широкополосный сверхвысокий поток (до 1014 би-фотонов в секунду) в реальном эксперименте) означает, что около 100 фотонов могут прибыть к месту назначения каждую пикосекунду или около того. «Несмотря на то, что это дает огромное улучшение по сравнению с другими методами, до сих пор не существовало соответствующего метода обнаружения фотонов, способного обрабатывать такой высокий поток без« подавления »всех входящих данных.
Недавно мы решили эту проблему, используя другой принцип обнаружения В детекторе мы используем нелинейное волокно — того же типа, что и при передаче, — которое инвертирует процесс и идентифицирует бифотоны по мере их поступления ».Больше чем один способ увидеть "кота Шредингера"
По словам Вереда, интересным аспектом исследования является то, как оно обеспечивает конкретную, основанную на оптике перспективу квантовой суперпозиции — идею о том, что запутанные кванты населяют все возможные состояния, пока они не наблюдаются.«Любое популярное объяснение квантовой теории обычно начинается с кота Шредингера — мысленного эксперимента, описывающего кота в закрытом ящике, который может быть мертвым или живым», — говорит Веред. «Вместо того, чтобы смотреть на переломный момент между жизнью и смертью, наш эксперимент исследует точку, в которой квантовое поведение уступает место классической физике. Поскольку квантовое поведение проявляется в очень малых масштабах, можно сравнить наши результаты с определением точки перехода при котором кошка Шредингера сжимается до достаточно малых размеров, чтобы ее можно было воспринимать как живую и мертвую одновременно ».