Одиночные фотоны и квантовые информационные эксперименты

Одиночный фотон — это квант света, обладающий строго определенной энергией и другими свойствами, такими как поляризация и фазовая структура. В отличие от классического света, где волновая природа проявляется в виде непрерывного электромагнитного поля, одиночный фотон рассматривается как дискретная квантовая частица, способная проявлять одновременно корпускулярные и волновые свойства.

Ключевым элементом экспериментов с одиночными фотонами является источник одиночных фотонов. Наиболее распространенные технологии включают:

  • Спонтанное параметрическое рассеяние (SPDC) в нелинейных кристаллах, где один фотон более высокой энергии расщепляется на пару фотонов с меньшей энергией. Эти пары обладают коррелированными свойствами, что позволяет использовать один фотон для герметизации эксперимента, а другой — для измерения.
  • Атомные переходы и квантовые точки, которые могут испускать фотон строго индивидуально при возбуждении. Такие источники обеспечивают высокую чистоту одиночного фотона и минимизацию вероятности одновременного появления нескольких фотонов.

Эффективность источников одиночных фотонов определяется параметром g(2)(0), характеризующим вероятность совместного появления двух фотонов. Для идеального одиночного фотона g(2)(0) = 0.

Квантовые состояния и суперпозиция

Одиночные фотоны могут находиться в квантовой суперпозиции состояний. Например, фотон может одновременно находиться в двух поляризационных состояниях |H⟩ и |V⟩:

|ψ⟩ = α|H⟩ + β|V⟩,  |α|2+|β|2 = 1

Суперпозиция позволяет реализовывать квантовые биты (кьюбиты), где информация хранится не просто как 0 или 1, а как комбинация этих состояний. Ключевое свойство таких кьюбитов — невозможность их копирования без разрушения исходного состояния, что формализуется теоремой о невозможности клонирования.

Для экспериментов с одиночными фотонами важны следующие характеристики:

  • Поляризация: горизонтальная, вертикальная, круговая или линейно наклонная.
  • Фазовое состояние: контроль интерференционных свойств фотона в различных траекториях.
  • Временная когерентность: длительность когерентного интервала определяет возможности интерференционных экспериментов.

Интерференция и квантовые эффекты

Одним из центральных экспериментов является интерферометр с одиночными фотонами, где фотон проходит два пути одновременно, что проявляется в виде интерференционной картины при многократных повторениях эксперимента. Этот эффект демонстрирует волновую природу фотона, даже если детектор регистрирует по одному фотону за раз.

Для описания интерференции используют матрицу Джонса для поляризации и операторы Гильберта для пространственного состояния фотона. Эксперименты с Mach-Zehnder интерферометром показывают, что:

  • Измерение на одном пути разрушает интерференцию на выходе.
  • С помощью когерентного контроля можно изменять распределение вероятностей выхода фотона, что лежит в основе квантовых протоколов передачи информации.

Запутанность фотонов

Ключевое явление квантовой механики — квантовая запутанность. При SPDC фотонная пара может находиться в состоянии:

$$ |\Phi^+\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} (|H\rangle_1 |H\rangle_2 + |V\rangle_1 |V\rangle_2) $$

Здесь измерение поляризации одного фотона мгновенно определяет поляризацию второго, независимо от расстояния между ними. Это свойство используется для:

  • Квантовой криптографии (QKD): безопасная передача ключей, невозможность перехвата без нарушения состояния.
  • Телепортации кьюбитов: передача квантового состояния без физического перемещения фотона.
  • Тестов неравенств Белла: экспериментальная проверка фундаментальных принципов квантовой механики и локальности.

Квантовые детекторы и измерения

Для работы с одиночными фотонами применяются сверхчувствительные фотонные детекторы, включая:

  • Фотонные умножители (PMT): позволяют детектировать отдельные фотонные события.
  • Сверхпроводящие нанопроводниковые детекторы (SNSPD): обеспечивают высокую квантовую эффективность и низкий темновой шум.
  • Аваланч-фотодиоды (APD): работают в режиме лавинного умножения и позволяют регистрировать одиночные фотоны с высокой временной точностью.

Измерение фотонов строго квантово, то есть оно проявляет редукцию волновой функции: детектор либо фиксирует фотон, либо нет, изменяя состояние всей системы.

Квантовые информационные эксперименты

Использование одиночных фотонов позволяет реализовывать ряд экспериментов по квантовой информации:

  1. Квантовая криптография (BB84, E91): безопасность обеспечивается квантовой природой фотона, невозможностью клонирования и принципом неопределенности.
  2. Квантовая телепортация: передача состояния кьюбита между удаленными узлами с помощью запутанных фотонных пар.
  3. Суперпозиционные логические операции: фотонные кьюбиты могут использоваться для реализации квантовых гейтов, таких как Hadamard или CNOT, в линейной оптике.
  4. Тестирование квантовых теорий: одиночные фотоны позволяют проверять фундаментальные свойства, например, нарушения неравенств Белла или демонстрацию квантовой контекстуальности.

Контроль и синхронизация фотонов

Для квантовых экспериментов критически важна синхронизация одиночных фотонов:

  • Тайминг импульсов: фотонные события должны попадать в детекторы с точностью до пикосекунд.
  • Когерентные источники: лазеры с низкой флуктуацией фазы обеспечивают стабильность интерференционных экспериментов.
  • Оптические задержки и линии передачи: позволяют точно регулировать временные различия и фазовые соотношения фотонов.

Эти методы дают возможность реализовывать сложные протоколы передачи и обработки квантовой информации.

Оглавление