Канадские физики смогли запутать поляризацию одного фотона с пространственным распределением другого, представляющую собой оптическую вихревую решетку. Они провели томографию всех возможных состояний и доказали наличие запутанности, измеряя степень соответствия.

Исследование опубликовано в Physical Review A, кратко о нем пишет Physics.

В квантовой механике орбитальный момент долгое время считался атрибутом связанных систем, в которых частицы движутся вокруг некоторого центра притяжения. Свободные же частицы, двигающиеся в определенном направлении, физики всегда описывали состояниями с определенным импульсом (или пакетом таких состояний) и спиновым моментом (поляризацией). Тем не менее, теория не запрещает свободным частицам иметь орбитальный момент, и за последние два десятка лет появились сообщения о закручивании фотонов, электронов и нейтронов.

Закрученный свет вызывает особый интерес, потому что физики никогда до этого не наблюдали орбитальный момент у фотонов. Он обладает геликоидальным (то есть, винтовым) волновым фронтом с сингулярностью в центре, и потому оказывается ярчайшим примером структурированного света. Создание целых решеток из закрученного света с помощью пространственно-модулирующих оптических элементов позволило хранить классическую и квантовую информацию, а также измерять положение атомов. Дальнейшие исследования показали, что орбитальный момент можно запутать с поляризацией одиночного фотона, переводя этот эффект в квантовый режим.

Физики из Университета Уотерлу под руководством Эндрю Кэмерона (Andrew Cameron) пошли дальше и запутали поляризацию одного фотона с волновым фронтом другого. Они подтвердили наличие запутанности с помощью процедуры томографии квантовых состояний. Используя эти корреляции, авторы реализовали протокол подготовки удаленного состояния, который может быть полезен при создании крупномасштабных квантовых сетей.

Для генерации запутанных фотонных пар физики использовали спонтанное параметрическое рассеяние в периодически поляризованном кристалле титанилфосфата калия длиной один сантиметр. Они накачивали кристалл светом непрерывного диодного лазера с длиной волны 404 нанометров. Холостой и сигнальный фотоны имели энергетическое распределение с шириной 0,4 нанометра и серединой на 808 нанометров.

Затем сигнальный фотон через увеличительную оптику направлялся на серию призм, генерирующих оптические вихревые решетки, после выхода из которых волновой фронт фотона приобретает массив фазовых сингулярностей. После них фотон попадал на аналитический блок, состоящий из полуволновой и четвертьволновой пластинок и светоделителя, а затем регистрировался камерой. Физики так настраивали установку, чтобы эта регистрация происходила непосредственно после того, как холостой фотон проходил через собственный аналитический блок и попадал в лавинный светодиод, связанный с камерой.

Томографическая часть эксперимента заключалась в измерении сигнального и холостого фотонов во всех 16 комбинациях, сформированных из двух возможных поляризациях плоского и кругового базисов каждой из частиц. Для каждой из комбинаций авторы накапливали сигналы 2000 фотонов.

В результате физики получили изображения сложных решетчатых структур для каждой из комбинаций поляризаций фотонов и сравнили их с теоретическими предсказаниями. Изображения оказались в качественном согласии, некоторые искажения авторы объяснили трудностью в настройке и поддержании нужных фаз при выравнивании призм. Они также исследовали степень схожести квантовых состояний (fidelity) состояний в каждом пикселе и построили соответствующую гистограмму распределения. Из нее следовало, что в 42,5 процентах случаев степень совпадения превышает 0,5 с одним из четырех белловских состояний, что свидетельствует о запутанности между фотонами. Эта цифра меньше, чем значение, получаемое в идеальных условиях и равное 85,7 процентам. Разницу между ними авторы объяснили белым шумом.

Теоретические (a) и экспериментальные (b) изображения, получаемые камерой многократным измерением сигнального фотона для всех 16 комбинаций поляризаций. / Andrew R. Cameron et al. / Physical Review A, 2021

Физики также рассчитали параметр совпадения, который значительно отличался от нуля и также говорил о наличии запутанности. В будущем они планируют увеличить число призм, чтобы достичь больших орбитальных квантовых чисел, и, как следствие, обогатить алфавит для кодирования спин-орбитальных состояний.