Физики из университетов Инсбрука, Женевы и Базеля предложили эксперимент, в котором можно будет наблюдать квантовую запутанность невооруженным взглядом. Несмотря на то, что это явление уже активно используется в лабораториях, в том числе и для передачи информации, это первый опыт, в котором человек может быть задействован напрямую — в роли детектора. Препринт опубликован на сервере arXiv.org, кратко о нем сообщает MIT Technology Review.

Экспериментальная установка представляет собой источник единичных запутанных фотонов, основанный на эффекте спонтанного параметрического рассеяния, и систему из лазеров и светоделителей. Фотоны разделяют на два пучка, каждый из которых направляют на свой соответствующий детектор. Перед детектором располагают еще один светоделитель, пропускающий лишь половину фотонов.

Напрямую увидеть глазом единичные фотоны невозможно — светочувствительные клетки сетчатки требуют по меньшей мере трех квантов света для того, чтобы запустить нервный импульс. Кроме того, лишь около 10 процентов всех фотонов доходят до сетчатки глаза. Поэтому для наблюдений запутанных фотонов физики использовали своеобразный усилитель, основанный на эффекте квантовой интерференции. Основой этого усилителя является светоделитель, стоящий перед детектором. По другую сторону относительно запутанного пучка физики предлагают разместить дополнительный лазер, испускающий такие же по поляризации, частоте и остальным параметрам фотоны, как и первоначальный.

Схема эксперимента. Изображение: Valentina Caprara Vivoli et al. / arXiv.org, 2016

Когда запутанный фотон попадает на светоделитель, происходит его взаимодействие с фотонами дополнительного лазера. В результате этого взаимодействия изменяется доля отраженных делителем фотонов дополнительного лазера. К примеру, большая их часть начинает отражаться в сторону детектора — человеческого глаза. Таким образом, единичный фотон оказывает влияние на свойства гораздо большего числа частиц, пучок которых уже возможно увидеть.

Чтобы зарегистрировать квантовую запутанность, необходимо собрать статистику «вспышек» (событий, когда вырастает интенсивность отраженного пучка) на двух детекторах. Запутанность приведет к тому, что «вспышки» или их отсутствие на двух детекторах будут регистрироваться одновременно: в момент, когда первый фотон из пары будет достигать усилителя, его состояние будет совпадать с состоянием второго фотона, а значит и влияние на отражающую способность светоделителя они будут оказывать одинаковое. 

Хотя в изначальной постановке эксперимента предполагается использовать в роли второго детектора обыкновенную светочувствительную матрицу, точно также можно использовать в роли обоих детекторов двух волонтеров. Главный минус эксперимента — сбор статистики потребует тысячи или десятки тысяч повторов, что значительно утомит волонтеров. Как шутят авторы заметки на MIT Technology Review, с одной стороны, пары волонтеров могут узнать, каково это — быть квантово запутанными, но с другой стороны, по всей видимости, ответом будет «это отупляюще скучно». 

Попытки поставить эксперименты, в которых человек может своими глазами увидеть проявления квантовой запутанности, ведутся с начала XX века. Одной из проблем является небольшая чувствительность человеческого глаза относительно современных матриц. Для того, чтобы увидеть вспышку, необходимо чтобы в пучок фотонов входило по меньшей мере десятки частиц. В современных экспериментах по запутыванию максимальное количество таких объектов не превышало 14. 

Автор: Владимир Королёв