В лаборатории оптики активных сред Физического института им. П.Н. Лебедева РАН создается уникальный прибор для задач квантовой фотоники. Устройство – квантовый фильтр на основе атома рубидия (детерминированный однофотонный источник) – позволит преобразовывать лазерный импульс в одиночный фотон. Установка уже собрана, и в настоящее время проводится очередной цикл экспериментов. Получение контролируемого фотона «по запросу» методом фильтрации из лазерного импульса будет использовано в фундаментальных исследованиях. Такие приборы понадобятся, например, для разработки квантовой памяти и создания принципиально неразрушимого кодирования при передаче данных.

Идея заключается в том, чтобы использовать свойства атомной среды, определенным образом организованной, для «фильтрации» с высокой вероятностью, вплоть до 100%, одиночного фотона из лазерного импульса. Предложили эту идею известные физики-теоретики Валерий Юдин (Новосибирский государственный технический университет) и Алексей Тайченачев (Новосибирский государственный университет).

Если к четырехуровневой системе (атому с четырьмя энергетическими уровнями) приложить специально подобранное мощное световое поле и пробный импульс, этот импульс в среде будет рассеиваться до тех пор, пока в нем не останется ровно один фотон. Но когда в импульсе останется последний фотон, среда для него становится абсолютно прозрачной. Возникает эта прозрачность в среде, когда разница частот световых полей совпадает с разницей частот двух атомных уровней.

Экспериментальная установка, созданная в ФИАНе, включает два лазерных источника, несколько цепей привязки, кювету с рубидием и ряд вспомогательных устройств.

Говорит старший научный сотрудник лаборатории оптики активных сред, кандидат физико-математических наук Алексей Акимов:

«Один лазер создает мощное поле, облучающее среду. Второй – производит импульс излучения, на него накладывается множество всяких ограничений. Мощное поле просветляет среду и не рассеивается, его надо отделить от импульса – с помощью поляризации, интерференционными фильтрами. Ряд устройств позволяет формировать импульсы и настраивать их частоту так, чтобы они совпадали с нужными переходами в атомах среды. Необходимое четырехуровневое состояние атомов рубидия поддерживается внешним магнитным полем. Газообразный рубидий находится в 4-сантиметровой вакуумной кювете с небольшим добавлением буферного газа».

Установка собрана. Задача текущей серии экспериментов – убрать побочные эффекты, влияющие на пропускание системы, и подобрать оптимальный режим импульсов. Успешное завершение всего проекта даст надежный источник одиночных фотонов, основанный не на спонтанном излучении, а действующий «по кнопке».

Области применения нового устройства – фундаментальные исследования в квантовой фотонике, а также работы по созданию квантовой памяти. Ведь один фотон – это минимальный квант информации, который вообще может передаваться. С этим связано и другое возможное приложение – шифрование при передаче информации. Если создан один фотон в некотором специально заданном состоянии, его нельзя «измерить», не испортив, то есть не разрушив его состояние. Такая «естественная степень защиты», присущая одному фотону, может послужить базисом для разработки «абсолютного» кодирования в будущих устройствах для шифрования, при котором никакая попытка «взлома» не сможет остаться незамеченной.