Перепутанные частицы

Квантовое перепутывание (quantum entanglement) используется для проверки и исследования предсказаний квантовой механики и для создания технических устройств квантовой информатики.

В перепутанном состоянии двух частиц известно их общее состояние, а состояние каждой частицы не определено. Частицы зависят друг от друга, они взаимно коррелированны. Если измеряется характеристика одной частицы – энергия, импульс, или проекция спина, то мгновенно определяется аналогичная характеристика другой частицы, на каком бы расстоянии от первой она при этом не находилась. Измерения показали, что скорость передачи корреляции составляет ~10⁴ скоростей света в вакууме. Использовать этот процесс для передачи информации не удается. А. Эйнштейн назвал перепутанное состояние «странным действием на расстоянии», что противоречит принципу «локального реализма» классической физики, где частица взаимодействует только со своим окружением и имеет характеристики, не зависящие от наблюдателя. Эйнштейн предложил в 1935 г. эксперимент, опровергающий полноту квантовой механики. Многочиленные оыты, выполненные за последние годы, опровергли представление Эйнштейна, подтвердили выводы квантовой механики и стали основой для разработки новых квантовых технологий.

Для получения двух фотонов в перепутанном состоянии используется спонтанное параметрическое рассеяние света (spontaneous parametric down-conversion – SPDC) в нелинейном кристалле, теоретически описанное Д.Н. Клышко в 1966 г. Явление исследовали экспериментально D. C. Burnham and D. L. Weinberg в 1970 г.

Давид Николаевич Клышко (1929–2000)

Аргоновый ионный лазер с длиной когерентности ~50 мм создает ультрафиолетовый фотон накачки с длиной волны , который направляется по нормали на оптически прозрачный пьезоэлектрический кристалл йодата лития , или ниобата лития , толщиной 25 мм с двойным лучепреломлением. За счет нелинейной поляризуемости кристалла, вызванной вакуумными флуктуациями электромагнитного поля, фотон спонтанно параметрически рассеивается (SPDC type-I). С вероятностью рождаются в одной точке кристалла красные фотоны 1 и 2 с длиной волны у сигнального фотона и у холостого фотона с длиной когерентности ~0,3 мм. Для type-I SPDC оба фотона принадлежат обыкновенному, или необыкновенному лучу, и имеют одинаковые поляризации.

Рис. 5. Спонтанное параметрическое рассеяние

Законы сохранения энергии и импульса связывают частоту, импульс, волновой вектор и фазу исходного фотона с частотами, импульсами, волновыми векторами и фазами возникающих фотонов

, ,

, , (1)

как показано на рис. 5. Выходящие из плоскопараллельного кристалла лучи связаны законом Снеллиуса

, (2)

как показано на рис. 5.

До регистрации частота и поперечный импульс фотона 1

,

неопределенные и могут принимать значения в широких пределах. Фотоны 1 и 2 перепутаны по состояниям, их фазы, импульсы и направления распространения взаимно согласованы. Если измерить характеристики фотона 1, тогда о фотоне 2 будет полная информация на основании соотношений (1), на каком бы расстоянии от первого этот фотон не оказался.

На рис. 6 показано излучение при параметрическом рассеянии. Фотон накачки проходит перпендикулярно фотографии на рис. 6, б через ее центр и показан белесым пятном. Если сигнальный фотон проходит через некую точку фотографии, то холостой фотон идет через сопряженную точку, лежащую на общем диаметре и обеспечивающую выполнение условий: сумма частот постоянна, векторная сумма поперечных импульсов равна нулю. Цвета на рисунке дают представление о связи фотонов 1 и 2 с частотами.

а б

Рис. 6. Параметрическое рассеяние

В кристалле бета бората бария толщиной 3 мм возникает type-II спонтанной параметрической конверсии, где один рассеянный фотон принадлежит обыкновенному лучу, другой – необыкновенному лучу, их поляризации взаимно ортогональны.