Группа российских физиков под руководством Сергея Кулика, профессора кафедры квантовой электроники МГУ, провела экспериментальное исследование эффекта квантового вампира на тепловых состояниях света. Они показали, что данный эффект может быть объяснен статистическими свойствами излучения без привлечения понятий запутанности или нелокальности, опровергнув таким образом выводы своих предшественников. Доклад, посвященный результатам данных исследований, был сделан на конференции LPHYS’17, которая проходила на прошлой неделе в Казани. Тезисы доклада доступны на сайте конференции.

Квантовым вампиром называется эффект, заключающийся в том, что при определенных условиях тело, которое находится на пути у света, не отбрасывает тени. Эффект получил название благодаря аналогии с вымышленными фольклорными существами — вампирами, — которые также известны тем, что не отбрасывают тени. Квантовым же он был назван потому, что для его объяснения потребовались понятия, связанные с особенностями физики микромира.

Представим себе следующий мысленный эксперимент. Пусть на пути пучка света расположен некоторый объект, рассеивающий фотоны, например облако атомов. Повседневный опыт подсказывает нам, что в соответствующей области на экране должен наблюдаться провал освещенности, то есть тень. Однако, если предположить, что атомы слабо взаимодействуют с излучением, ситуация может поменяться. Для этого необходимо установить счетчик одиночных фотонов, который фиксирует рассеянные световые частицы. Оказывается, в том случае, когда счетчик срабатывает, вместо образования тени за облаком атомов происходит проседание освещенности по всей площади светового пучка.

На рисунке показана возможная реализация эффекта с помощью облака поглощающих атомов. Регистрация единичного переизлученного фотона сигнализирует об уничтожении фотона в моде, определяемой формой облака, и запускает запись изображения на камере. Вычитание фотона не приведет к появлению тени от облака на выходном квантовом состоянии, так что распределение интенсивности в нем (оранжевая линия) не изменится. Эта ситуация контрастирует с обычным линейным поглощением, которое приводит к появлению тени на экране (синий пунктир).

Эффект квантового вампира впервые был экспериментально обнаружен в группе Александра Львовского и опубликован в журнале Optica в 2015 году. Реальный эксперимент, как это обычно водится в физике, был реализован на несколько иных объектах, нежели мысленный опыт, описанный выше. Его упрощенная схема приведена на рисунке ниже.

Здесь на вход полупрозрачной пластинки (светоделителя) подается свет в состоянии, содержащем несколько фотонов в некоторой моде a. Модой в оптике называется некоторое стационарное решение уравнений на распределение электромагнитного поля. При этом, поскольку свет квантован, то интенсивность излучения, соответствующая данному решению, также квантуется и описывается в рамках числа фотонов — элементарных квантов света.

Когда такой пучок попадает на светоделитель B1, свет переходит в состояние квантовой суперпозиции: он одновременно находится в состоянии отраженном (мода a1) и прошедшем через пластинку (мода a2). Чуть дальше части этого единого когерентного состояния «склеиваются» обратно в исходное состояние другим светоделителем B3, после чего с помощью детектора измеряется число его фотонов. При этом на пути моды a1 реализована система, которая с очень маленькой вероятностью может удалить фотон. Факт удаления фотона регистрируется сигналом от специального счетчика SPCM3.

Эксперимент показал, что если счетчик  SPCM3 дает сигнал, то детектор регистрирует число фотонов в исходной моде a, уменьшенное на единицу. При этом говорят, что квантовый вампир «покусал» моду в одном из плечей интерферометра. Данный факт был установлен для одно- и двухфотонных состояний света.

Результаты измерения числа фотонов в собранной моде a в зависимости от того, было поглощение на счетчике SPCM3 (фиолетовые данные) или не было (синие данные). Измерения были проведены для однофотонной (a) и двухфотонной (b) мод.

В группе Львовского этот эксперимент был объяснен в рамках понятий нелокальности и квантовой запутанности. Более подробно об этих интересных явлениях можно прочитать в большом интервью, которое Александр Исаевич дал для N + 1. Согласно данному объяснению, важной особенностью такого эксперимента является то, что удаление фотона из одной моды также удаляет фотон и из моды, расположенной от нее на некотором расстоянии, и это изменение происходит мгновенно. Нечто подобное наблюдается при квантовой телепортации.  

Это входит в противоречие с повседневным опытом. В обычной жизни мы привыкли к тому, что при поглощении отраженного от какой-либо преграды света интенсивность света, прошедшего эту преграду, не изменяется. В противном случае, если бы мы видели себя в отражении оконного стекла, это означало бы, что по другую сторону окна нас не видно.

Граница, которая пролегает между квантовым и классическим подходами, определяется фактически интенсивностью взаимодействия измерительной системы с модой. Слабое взаимодействие производит преобразование квантового состояния, не разрушающее суперпозицию, в то время как интенсивное взаимодействие, как правило, приводит к ее необратимому измерению, которое также называется коллапсом, или редукцией фон Неймана. Такая редукция это, по сути, многоступенчатый процесс взаимодействия с окружением, в результате чего квантовое система теряет неопределенность. В данном случае, система из состояния с неопределенным выбором пути (отраженный a1 или прошедший a2) коллапсирует с некоторой вероятностью в состояние, соответствующее либо пути a1, либо пути a2. Процесс редукции называется декогерентностью и является одним из самых главных препятствий на пути к созданию квантовых компьютеров.

Авторы же нового исследования отмечают тот факт, что в группе Львовского теоретически и экспериментально работали с состояниями света с фиксированным числом фотоном в моде. Вместе с тем известно, что любой источник света подвержен статистическим флуктуациям числа фотонов, вопрос лишь в том, насколько эти флуктуации существенны. Наиболее сильные флуктуации наблюдаются у источников, генерирующие излучение за счет тепловых процессов (например, лампа накаливания), поэтому свет, описываемый статистическим распределением числа фотонов в моде, получил название теплового света.

Группа Кулика экспериментально продемонстрировала эффект квантового вампира на тепловых состояниях света, пространственно разделенных на две отдельные моды. Они показали, что удаление фотона в одной из них приводит к тому, что в другой моде детектируется тепловое состояние с измененными статистическими свойствами, соответствующими вычитанию фотона. Оказалось, что результаты экспериментов могут быть объяснены без привлечения понятий квантовой нелокальности и запутанности, если просто учесть статистическую (классическую) корреляцию фотонов между собой. Из выводов данной работы следует, что эффект квантового вампира на самом деле не до конца «квантовый».

Хотя существование квантовой суперпозиции в эффекте квантового вампира оказывается под сомнением, исследования подобных систем вызывает большой интерес. В частности, мы уже рассказывали о недавнем исследовании, в котором физикам удалось создать суперпозицию порядка выполнения операций.

Автор: Марат Хамадеев