Квантовая запутанность — это неклассический эффект, при котором состояние одной частицы неминуемо связано с состоянием другой, вне зависимости от расстояния между ними. Если система фотонов находится в запутанном состоянии, то измерение одного фотона мгновенно влияет на состояние другого, даже если они разделены пространственно. Это фундаментальное свойство квантовой теории не имеет аналогов в классической физике и лежит в основе многих современных квантовых технологий, включая квантовую криптографию, квантовые вычисления и квантовую интерферометрию.
Спонтанное параметрическое расщепление (SPDC) Одним из основных методов получения запутанных фотонов в лазерной физике является использование нелинейных кристаллов, в которых происходит процесс спонтанного параметрического расщепления. В этом процессе фотон накачки с энергией ℏωp, проходя через кристалл с χ(2)-нелинейностью, может превратиться в пару фотонов с меньшими энергиями: сигнал (ℏωs) и идлер (ℏωi), удовлетворяющими условиям:
ωp = ωs + ωi, k⃗p = k⃗s + k⃗i
При соответствующем выборе геометрии и условий фазового согласования можно создать запутанные пары фотонов, связанных по поляризации, импульсу, частоте или времени прихода.
Типы SPDC:
Рассмотрим запутанное состояние Белла двух фотонов по поляризации:
$$ |\Psi^-\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} \left( |H\rangle_1 |V\rangle_2 - |V\rangle_1 |H\rangle_2 \right) $$
где |H⟩ и |V⟩ обозначают горизонтальную и вертикальную поляризации соответственно. Это состояние неразложимо на произведение отдельных состояний фотонов — ключевой признак запутанности.
Критерий Белла: Для проверки наличия квантовой запутанности используют неравенства Белла. Нарушение этих неравенств в эксперименте доказывает, что система не описывается локальными скрытыми переменными, а поведение частиц обусловлено нелокальными квантовыми корреляциями.
Когерентность и интерференция Запутанные фотоны обладают высокой степенью когерентности. Это проявляется в двухфотонной интерференции, например, в эффекте Хонга–Манделя, когда два идентичных фотона, приходящие на полупрозрачное зеркало, интерферируют так, что оба выходят через один и тот же выходной порт, снижая вероятность совпадения детекторов:
Pсовпад → 0
при идеальном совпадении параметров фотонов.
Томография квантового состояния Для полного восстановления состояния двух фотонов используется квантовая томография. Это методика, основанная на множестве проекционных измерений с последующим численным восстановлением плотностной матрицы. Она позволяет количественно оценивать степень запутанности, чистоту и другие характеристики состояния.
Хотя запутанные фотоны чаще всего получаются при помощи нелинейных кристаллов и слабых когерентных источников, лазеры играют ключевую роль в их генерации. Лазерное излучение используется в качестве источника накачки в SPDC- и других нелинейных процессах. Высокая стабильность частоты, узкая спектральная линия и высокая мощность лазеров критичны для эффективной генерации запутанных состояний.
Типичные лазеры накачки:
Импульсные лазеры позволяют генерировать запутанные фотоны с хорошим временным разрешением и синхронизацией, а непрерывные — с высокой стабильностью частоты и фазовой когерентностью.
Квантовая корреляция Запутанные фотоны проявляют коррелированное поведение в экспериментах с изменением базиса измерения. Если базисы поляризационных анализаторов меняются, наблюдаются статистические зависимости, не объяснимые классической теорией вероятностей.
Нелокальность и дальнодействие Измерения, проведённые на одном фотоне, мгновенно влияют на состояние второго, независимо от расстояния между ними. Это было экспериментально подтверждено в ряде «экспериментов Белла», в которых детекторы находились на значительном расстоянии, а синхронизация событий исключала обмен информации со скоростью, не превышающей скорость света.
Квантовая криптография Системы на основе запутанных фотонов (протоколы типа Ekert 1991) обеспечивают абсолютно безопасную передачу ключей, где любое вмешательство в канал обнаруживается из-за разрушения квантовых корреляций.
Квантовая телепортация При помощи запутанных фотонов возможна передача квантового состояния от одного объекта к другому без его физической транспортировки. Это не нарушает причинности, поскольку требует классической передачи данных.
Квантовая интерферометрия и метрология Запутанные фотоны позволяют достигать сверхчувствительности в измерениях, превышающей пределы, установленные классической оптикой. Например, в квантовых датчиках, гравитационно-волновых интерферометрах и высокоточной спектроскопии.
Квантовые вычисления Запутанные фотоны выступают в качестве кубитов в фотонных квантовых компьютерах. Их низкая декогеренция и легкость манипуляции делают их перспективными для построения масштабируемых квантовых схем.
Несмотря на огромный прогресс, остаются ключевые проблемы:
Для преодоления этих проблем развиваются новые платформы — квантовые точки, источники на базе микрорезонаторов, фотонные чипы и топологические схемы, интегрирующие оптические элементы с источниками и детекторами на одном кристалле.
Экспериментальные достижения включают:
Текущие исследования направлены на разработку стабильных, масштабируемых источников запутанных фотонов, интеграцию с фотонными схемами и внедрение в телекоммуникационные сети.