Физики из Университета Кембриджа впервые получили единичные сжатые фотоны, используя для этого процесс флуоресценции. Эксперимент, поставленный авторами был предсказан теоретически 30 лет назад, но только сейчас его удалось воплотить в жизнь. Работа опубликована в журнале Nature, кратко о ней можно прочитать в пресс-релизе университета.

Измерению параметров в квантовых системах неизбежно мешают особые неточности — флуктуации. Они возникают благодаря принципу неопределенности Гейзенберга — закону квантового мира, запрещающему одновременно очень точно определить два параметра, например, координату и импульс частицы. Из него следует, что если мы наложим ограничения на одну из таких величин, то неопределенность другой величины от этого возрастет. Ближайшей аналогией флуктуаций являются шумы, которые появляются при попытке измерить какой-либо параметр света.

Схема экспериментальной установки. Изображение: Carsten H. H. Schulte et al. / Nature, 2015

Неопределенность реализуется даже для вакуума — из-за нее возникают так называемые вакуумные флуктуации. Им подвержены даже такие, казалось бы, идеальные источники света, как лазеры. В новой работе авторы смогли уменьшить шумы в потоке фотонов, настолько, что они стали даже меньше, чем в вакууме — физики получили сжатые фотоны.

Сжатое состояние, в зависимости от мощности возбуждающего излучения. s = 0 — вакуумное состояние, s=0,36 — малая мощность. При высокой мощности картинка превращается в симметричное кольцо. Изображение: Carsten H. H. Schulte et al. / Nature, 2015

Сжатыми состояниями света называются такие состояния, в которых дисперсия флуктуаций (возможных колебаний) одного параметра системы меньше, чем у другого, сопряженного с ним. Такими параметрами могут быть, например, компоненты комплексной амплитуды волны света.

Для создания сжатого состояния, физики обучали квантовую точку (нанокристалл полупроводника) с помощью очень слабого лазерного излучения. Квантовая точка в эксперименте выполняла роль «искусственного атома», системы с двумя энергетическими уровнями, способной поглощать и испускать кванты света. У испущенных фотонов удалось снизить уровень шумов квадратурной компоненты амплитуды на три процента по сравнению с вакуумными флуктуациями. Это естественным образом привело к увеличению шумов у другого параметра фотона. С помощью специальной техники измерений авторы смогли показать, что сжатие наблюдается даже у единичных фотонов. 

Первые экспериментальные работы по квадратурному сжатию света были проведены еще в 1985–1987 годах, однако первоначально для этого использовались нелинейные оптические среды. Использование же флуоресценции было предложено довольно давно, однако на протяжении 30 лет поставить эксперимент было невозможно технически. Новая работа позволила перешагнуть через ограничения благодаря использованию квантовых точек — они улучшили качество детекции сжатых фотонов почти в 100 раз.