Физика

Квантовую голограмму получили без сложения волн

Квантовую голограмму получили без сложения волн

Hugo Defienne et al. / Nature Physics, 2021

Физики создали квантовую голограмму без прямого наложения двух световых волн. Вместо этого они использовали взаимосвязь запутанных фотонов, чтобы получить необходимую для построения изображения информацию. Статья опубликована в журнале Nature Physics.

Голограммы — это объемные изображения, которые получают, складывая две волны. В оптической голографии в роли волн выступают лучи света. Один из них отражается от предмета, и по разнице фаз со вторым лучом можно восстановить изображение. Поскольку каждой частице ставится в соответствие волновая функция, существует не только оптическая голография, но и квантовая, построенная на взаимодействии этих функций. Вместо того чтобы измерять яркость света, физики измеряют вероятность появления частиц в пространстве. 

С помощью квантовой голографии уже была получена голограмма одиночного фотона: фотон с неизвестной поляризацией столкнули с эталонным и зарегистрировали, как наложились друг на друга их волновые функции. Это и позволило получить пространственное распределение неизвестной частицы. Эксперимент очень напоминал оптический, но в квантовой голографии присутствуют и эффекты, позволяющие создавать голограммы принципиально новыми методами. 

Один из таких эффектов использовали физики из Университета Глазго под руководством Хуго Дефина (Hugo Defienne). Они создали квантовую голограмму без сложения двух волн. 

Как и в оптических экспериментах, они использовали лазерный луч, который разделили на два пучка с помощью нелинейного кристалла. Кристалл позволил создать запутанные фотоны, находящиеся в связанных квантовых состояниях. Один поток фотонов попадал в пространственный модулятор света, содержащий изображаемый предмет. В качестве предмета использовали буквы «UofG» (аббревиатура названия университета) на жидкокристаллическом дисплее, а также кусочки скотча, капли силиконового масла и птичье перо.

Второй поток фотонов проходил через другой модулятор, чтобы избавиться от фазовых искажений, вызванных двулучепреломлением в нелинейном кристалле. Оба пучка после прохождения модуляторов попадали на цифровые камеры.

Схема эксперимента: пара запутанных фотонов проходит через два модулятора (SLM) и регистрируется двумя камерами (EMCCD). Один из модуляторов регистрирует фотоны с положительным поперечным импульсом по оси x, другой — с отрицательным. Чтобы создать голограмму, один из модуляторов выполняет измерения корреляций интенсивности на обеих камерах.

Hugo Defienne et al. / Nature Physics, 2021

В классической голографии пучки нужно было бы наложить друг на друга, чтобы получить информацию о сдвиге фаз. В квантовом эксперименте ученые вместо этого использовали уникальное свойство запутанных фотонов: их способность влиять друг на друга без каких-либо взаимодействий.

Из-за этого влияния между сдвигами фаз отдельных пучков появились корреляции. Ученые измерили их, сравнив данные с двух разных камер в симметричных точках. Корреляций оказалось достаточно для построения изображения.

Изображения, восстановленные модулятором при разных значениях постоянного фазового сдвига.

Hugo Defienne et al. / Nature Physics, 2021

Ученые также провели измерения, добавив в систему помехи в виде постороннего рассеянного света. Это не помешало получить изображение с четкими контурами, так что новый метод голографии менее восприимчив к внешним воздействиям, чем классическая интерференция.

Авторы работы отмечают, что голограмму можно получить и без второго модулятора. В таком случае перед камерой, регистрирующей второй пучок, нужно было бы установить вращающийся поляризатор, а фазовые искажения учесть в компьютерной модели. Ученые использовали модулятор, чтобы выполнить измерения, необходимые для подтверждения неравенства Клаузера-Хорна-Шимони-Хольта.

Оно является прямым следствием теоремы Белла, позволяющей экспериментально доказать существование квантовой запутанности. Подтвердив это неравенство, ученые показали, что квантовую голографию можно использовать не только для построения изображений, но и для получения характеристик квантовых состояний.

На свойствах запутанных частиц работает не только новый способ создания голограмм, но и квантовая коммуникация. Мы писали о создании сети квантовой коммуникации на основе запутанности между частотными модами сигнала. Также физики исследуют запутанные частицы, чтобы больше узнать о практическом значении волновой функции. Например, недавно им удалось сфотографировать запутанные фотоны.

Источник

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть