Новий спосіб заплутувати фотони виявився ефективнішим за всіх інших.
Квантова фізика знаменита своєю неінтуїтивністю: концентрація парадоксів у ній кладе на лопатки теорію відносності і космологію разом узяті. Найбільш обговорювані в наші дні розділи квантової фізики, в яких парадоксальність втілилася у всій повноті - це квантова інформація і квантова оптика.
Квантовий захист інформації - святий Грааль для технології безпечної передачі даних. В основі так званої квантової криптографії лежить дивовижне квантове явище - заплутаність фотонів (елементарних частинок, що переносять електромагнітну взаємодію і, зокрема, світло).
Суть його в тому, що два певним чином отриманих фотони виявляються пов'язані між собою, так що зміна стану одного з них викликає миттєву зміну в стані іншого, навіть якщо вони знаходяться на великій відстані один від одного. Заплутаність можна використовувати для безпечної передачі даних: якщо якась третя особа спробує скопіювати інформацію, про те миттєво стане відомо її справжнім власникам. Однак заплутати фотони і потім ще зберегти їх заплутаність при неминучій взаємодії з навколишнім світом - завдання вельми і вельми непросте.
Станіслав Страупе з МДУ розповідає про це так: "Переплутані стани взагалі типові і повсюдні. Проблема тільки в тому, що для більшості частинок взаємодія з оточенням швидко руйнує переплутування. Фотони ж практично ні з чим не взаємодіють, тому вони є дуже зручним об'єктом для експериментів в цій області ".
Велика частина джерел світла, з якими ми стикаємося в житті - Сонце, лампи розжарювання, лазери, світлодіоди - називають класичними: випускаються ними фотони підпорядковуються деякому статистичному розподілу. У некласичному світлі з джерела вилітає один або два фотони в одиницю часу, і створити таке джерело досить складно. Для цього можна, наприклад, ізолювати одиночний атом або квантову точку і реєструвати одиночні фотони, що випускаються в результаті збудження.
Щоб отримати заплутані фотони, найчастіше використовують ефект спонтанного параметричного розсіювання світла в нелінійних кристалах. Для цього кристал з певними оптичними властивостями опромінюють так званим лазером накачування. Фотон з лазерного пучка, потрапляючи в кристал, розпадається на два фотони, енергія яких в сумі дорівнює енергії фотона накачування. В силу законів збереження фотони виявляються корельовані, або заплутані, проте головна проблема такого способу заплутування полягає в низькій ефективності і необхідності фільтрувати фотони на виході, щоб отримати пари з необхідними властивостями.
Станіслава Страупе та його колеги запропонували новий метод створення просторового переплутування, який більш ефективний, ніж інші. За словами Єгора Ковлакова, у своїх експериментах вони отримують пучки фотонів, які виявляються корельовані за так званою просторовою формою. Ключова відмінність нового підходу полягає в тому, що форма і тип пучка накачування підбираються так, щоб оптимізувати ефективність випускання заплутаних фотонів, позбавляючи експериментаторів від необхідності фільтрувати витікаюче з нелінійного кристала випромінювання. Повністю результати дослідників опубліковані в Physical Review Letters.
Метод можна використовувати не тільки в квантовій криптографії, хоча на даний момент це найбільш розвинена область застосування фотонної заплутаності. "На відміну від класичних систем зв'язку, де неважливо, який саме алфавіт використовується для кодування повідомлення і достатньо використовувати бінарний код (0 і 1), у квантовому зв'язку все складніше. Виявляється, що підвищення розмірності алфавіту не тільки збільшує кількість інформації, що кодується в одному фотоні, але і збільшує секретність зв'язку. Тому системи квантового зв'язку, засновані в тому числі і на кодуванні інформації в просторовій формі фотонів, цікаві як фізикам, так і індустрії ", - зазначає Станіслав Страупе.
Можливо, новий спосіб заплутувати фотонів дозволить створити оптичний канал із супутником на орбіті, куди не можна протягнути оптичне волокно.