КВАНТОВЫЙ ПАРАДОКС: ФИЗИКИ ЮУРГУ НАУЧИЛИСЬ ДЕЛАТЬ СВЕТ ЯРЧЕ, ВЫЧИТАЯ ИЗ НЕГО ФОТОНЫ - SOUTH URAL STATE UNIVERSITY
Ученые ЮУрГУ– специалисты в области квантовой оптики – работают над усовершенствованием технологии получения сжатых состояний света. Суть нового подхода заключается в парадоксальной, на первый взгляд, манипуляции: чтобы улучшить точность измерений, физики предлагают либо добавлять, либо вычитать единичные фотоны из светового пучка. И хотя авторы метода шутливо сравнивают его с принципом «пойти туда, не знаю куда», за этой метафорой стоят строгие математические модели, в перспективе открывающие путь к созданию новых квантовых компьютеров.
В квантовом мире свет постоянно «дрожит» – его параметры подвержены случайным флуктуациям (колебаниям). В обычном состоянии эти колебания распределены равномерно. Однако в сжатом состоянии света физики могут «перераспределить» шум: уменьшить его в одной характеристике (например, в амплитуде) за счет увеличения в другой (в фазе). Та «компонента», которая становится почти бесшумной, позволяет регистрировать сверхслабые сигналы, например, колебания пространства-времени при прохождении гравитационных волн.
Несмотря на кажущуюся простоту терминов, «вычесть фотон» – это не механическое удаление «кусочка света». Это строго обоснованная квантовая операция, которая требует стандартного оборудования (линейной оптики и фотон-разрешающего детектора) и не нуждается в особых экзотических кристаллах.
«Самое удивительное, что процедура вычитания фотонов часто приводит к обратному эффекту: выходной свет может стать более ярким, чем входной! В некоторых случаях это позволяет получать макроскопические неклассические состояния. С точки зрения классической физики это нонсенс, но в квантовой логике – обычная практика, к которой нужно просто привыкнуть.
Объяснить данный парадокс в стандартных классических представлениях физически невозможно. Нет никаких классических аналогов того, на что именно это похоже», – отмечает один из разработчиков нового метода – сотрудник лаборатории «Квантовая инженерия света», д.ф.-м.н., профессор Сергей Подошведов.
Отвечая на вопрос, почему добавление или удаление фотона повышает чувствительность света, Сергей Анатольевич с иронией прибегает к образу из фольклора: «Иди туда, не зная куда, принеси то, не знаю что». В квантовой механике результат операции часто не поддается интуитивному классическому объяснению, однако он стабильно воспроизводится в лаборатории.
Интересно, что при определенных условиях процедуры добавления и вычитания фотонов становятся равносильными друг другу, что также имеет строгое математическое обоснование.
Усовершенствованные источники сжатого света находят применение в двух ключевых областях:
Гауссов бозонный сэмплинг. Это специализированная модель квантовых вычислений. Суть задачи: запустить фотоны в сложную сеть зеркал (интерферометр) и зафиксировать, в какие выходные каналы они попадут. Для обычного суперкомпьютера моделирование этого процесса становится экспоненциально сложным с ростом числа фотонов, а квантовая система решает эту задачу «на лету». Это позволяет вычислять сложнейшие математические функции, вроде хафниана (В математике хафниан (или гафниан) – это скалярная функция от симметричной матрицы, обобщающая перманент (постоянство). Хафниан был назван Эдуардо Р. Кайанелло «в честь плодотворного периода его пребывания в Дании, в Копенгагене (Hafnia на латыни))».
Ученые ЮУрГУ– специалисты в области квантовой оптики – работают над усовершенствованием технологии получения сжатых состояний света. Суть нового подхода заключается в парадоксальной, на первый взгляд, манипуляции: чтобы улучшить точность измерений, физики предлагают либо добавлять, либо вычитать единичные фотоны из светового пучка. И хотя авторы метода шутливо сравнивают его с принципом «пойти туда, не знаю куда», за этой метафорой стоят строгие математические модели, в перспективе открывающие путь к созданию новых квантовых компьютеров.
В квантовом мире свет постоянно «дрожит» – его параметры подвержены случайным флуктуациям (колебаниям). В обычном состоянии эти колебания распределены равномерно. Однако в сжатом состоянии света физики могут «перераспределить» шум: уменьшить его в одной характеристике (например, в амплитуде) за счет увеличения в другой (в фазе). Та «компонента», которая становится почти бесшумной, позволяет регистрировать сверхслабые сигналы, например, колебания пространства-времени при прохождении гравитационных волн.
Несмотря на кажущуюся простоту терминов, «вычесть фотон» – это не механическое удаление «кусочка света». Это строго обоснованная квантовая операция, которая требует стандартного оборудования (линейной оптики и фотон-разрешающего детектора) и не нуждается в особых экзотических кристаллах.
«Самое удивительное, что процедура вычитания фотонов часто приводит к обратному эффекту: выходной свет может стать более ярким, чем входной! В некоторых случаях это позволяет получать макроскопические неклассические состояния. С точки зрения классической физики это нонсенс, но в квантовой логике – обычная практика, к которой нужно просто привыкнуть.
Объяснить данный парадокс в стандартных классических представлениях физически невозможно. Нет никаких классических аналогов того, на что именно это похоже», – отмечает один из разработчиков нового метода – сотрудник лаборатории «Квантовая инженерия света», д.ф.-м.н., профессор Сергей Подошведов.
Отвечая на вопрос, почему добавление или удаление фотона повышает чувствительность света, Сергей Анатольевич с иронией прибегает к образу из фольклора: «Иди туда, не зная куда, принеси то, не знаю что». В квантовой механике результат операции часто не поддается интуитивному классическому объяснению, однако он стабильно воспроизводится в лаборатории.
Интересно, что при определенных условиях процедуры добавления и вычитания фотонов становятся равносильными друг другу, что также имеет строгое математическое обоснование.
Усовершенствованные источники сжатого света находят применение в двух ключевых областях:
Гауссов бозонный сэмплинг. Это специализированная модель квантовых вычислений. Суть задачи: запустить фотоны в сложную сеть зеркал (интерферометр) и зафиксировать, в какие выходные каналы они попадут. Для обычного суперкомпьютера моделирование этого процесса становится экспоненциально сложным с ростом числа фотонов, а квантовая система решает эту задачу «на лету». Это позволяет вычислять сложнейшие математические функции, вроде хафниана (В математике хафниан (или гафниан) – это скалярная функция от симметричной матрицы, обобщающая перманент (постоянство). Хафниан был назван Эдуардо Р. Кайанелло «в честь плодотворного периода его пребывания в Дании, в Копенгагене (Hafnia на латыни))».