Інтерферометричне зображення амплітуди та фази просторових біфотонних станів

Мультипросторові біфотонні стани є перспективними ресурсами для квантових додатків – від багатовимірного зв'язку до квантової візуалізації.

Про це йдеться у комплексному дослідженні міжнародної команди фізиків, оприлюдненого у спеціалізованому виданні "Nature Photonics", передає медіаагенція "Останній Бастіон".

За їхніми словами, ключовим завданням є повна характеристика просторових біфотонних станів, що зазвичай займає багато часу і не піддається масштабуванню у мить використання проєктних підходів до виміру.

«Нові досягнення у галузі технологій візуалізації збігів дозволяють подолати ці обмеження шляхом розпаралелювання кількох вимірів. Ми представляємо двофотонну цифрову голографію за аналогією з позаосьовою цифровою голографією, де зображення суперпозиції невідомого стану з еталонним станом використовується для виконання томографії квантового стану. Ми застосовуємо цей підхід до одиничних фотонів, які випромінюються у результаті спонтанної параметричної понижувальної конверсії в нелінійному кристалі, коли фотони накачування мають різні квантові стани», – коментують своє дослідження науковці.

Прикметно, але запропонована методика реконструкції дозволяє більш ефективно (на три порядки швидше) та надійно (середня точність 87%) характеризувати стани в базисах довільних просторових площин порівняно із раніше проведеними експериментами.

Багатофотонна цифрова голографія, переконані науковці, може прокласти шлях до ефективних і точних обчислювальних примарних зображень та багатовимірної квантової обробки інформації, що до тепер було тільки фантастикою.

«У цій роботі ми представили новий підхід до відновлення просторової структури корельованих двофотонних станів. Наша пропозиція використовує когерентну суперпозицію двох станів – спонтанне параметричне зниження та можливість візуалізації амплітуди цієї суперпозиції за допомогою камери з позначкою часу. Результати експерименту показали, як з одного виміру можна отримати при постобробці великий обсяг інформації.

Тобто, ми здобули дані щодо двофотонного просторового стану, включно з кореляцією у різних ступенях свободи, заплутаність та розкладання просторових площин у довільних базах. Ми зосередилися на простому випадку спонтанного параметричного зниження, що генерується з тонких кристалів, і для різних полів накачування проаналізували орбітальний кутовий момент зі збереженням парності, багатовимірні заплутані стани та кореляції радіальних площин», – уточнюють науковці.

Отримані результати показують перевагу апробованого підходу порівняно з проєктивними методами у контексті порівняльного аналізу висококорельованих квантових станів.

Зауважимо, що якби проєктивний вимір досягався на підпросторі 11×11, як і розглянуті у цій роботі для радіальних площин, то для накопичення необхідної статистики за 1212 проєкціями знадобилося б кілька днів через низьку швидкість рахунку, пов'язану із втратами.

«Для порівняння, наш підхід дозволяє отримати необхідні дані за кілька хвилин, незалежно від розмірності підпростору, що аналізується (останнє обмежується тільки роздільною здатністю камери). Ми також відзначаємо, що за допомогою камери з позначкою часу, коли є просторові кореляції, можливе подальше віднімання фону, що покращує співвідношення сигнал/шум при такому вигляді вимірювань.

Таким чином, ми досягли збільшення часу відновлення на три порядки з високою точністю для біфотонних станів, отримавши середню точність 87%. Найнижчі значення точності обумовлені недосконалою підготовкою накачування або небажаною фазою опорного променя, що просторово змінюється, а не внутрішніми обмеженнями методу. Хоча більшість наших результатів ґрунтуються на певному вигляді двофотонного стану, ми також показали, як можна узагальнити стани, в яких кореляції не є різкими», – йдеться у дослідженні.

Ключовим моментом, пояснюють науковці, є створення так званих "еталонних станів" із просторовими кореляціями, які добре перекриваються з кореляціями у невідомому стані.

Майбутні дослідження будуть присвячені узагальненню вищенаведеного підходу на довільні дво- та багатофотонні стани, реалізуючи експерименти, в яких опорний і невідомий стани генеруються з віддалених джерел.

А проте, медіаагенція "Останній Бастіон" нагадує читачам, як десятиліттями усталені концепції та теорії квантової фізики часто суперечать законам... класичної фізики.