Новости науки 11.10.01. Роль "запутанности" в двухфотонной технике
получения изображений.
Давно известно, что при использовании одиночных фотонов можно
воспроизвести все известные классические эффекты дифракции, интерференции
и получения изображений - необходимо только повторить "однофотонный"
эксперимент достаточное количество раз. Однако возможно наблюдение
и более необычных эффектов "двухфотонной" оптики, когда "работают"
два запутанных в квантово-механическом
смысле фотона: один из них проходит через оптическую систему с каким-то
объектом (например, щелью), а соответствующее изображение (например,
дифракционная картина) получается с помощью другого. Недавно
ученые из Бостонского университета показали, что в системе двух
коррелированных в классическом смысле (но не "запутанных") фотонов
подобные двухфотонные изображения не могут быть получены при сколь
угодно сильной корреляции.
Еще в первой половине девяностых были проведены эксперименты, демонстрирующие
необычный с классической точки зрения двухфотонный эффект (когда
один фотон как бы "чувствует", что происходит с другим, хотя в классическом
смысле они не взаимодействуют), причина которого кроется в запутанной
в квантово-механическом смысле природе двухфотонных состояний. Например,
в работе [1] пара запутанных фотонов, имеющих взаимно перпендикулярные
направления поляризации, разделялась с помощью поляризационного
расщепителя, после чего один из фотонов проходил через щель (или
систему с двумя щелями), а дифракционная (интерференционно-дифракционная)
картина наблюдалась при регистрации прихода второго фотона из пары.
Рис.1. Схема, поясняющая двухфотонную технику получения изображений.
Двухфотонный источник испускает фотоны, один из которых попадает
в оптическую систему, содержащую некий объект, а второй - в другую
оптическую систему. Детекторы D1 и D2 регистрируют
приход одиночных фотонов; двухфотонное изображение (например, дифракционная
картина) получается при перемещении детектора в плоскости x2
на выходе "пустой" оптической системы, причем приход фотона фиксируется
только при совпадении срабатывания двух детекторов (детектор в системе
с объектом служит в качестве источника опорного сигнала).
Однако оставался невыясненным вопрос, нельзя ли, каким-либо образом
оперируя с коррелированными в классическом смысле фотонами, воспроизвести
подобный эффект. Теоретическая работа [2] посвящена именно этому
вопросу. Ученые из Бостонского университета рассмотрели возможность
получения изображений как с помощью пар "запутанных" фотонов (схема
получения двухфотонных изображений показана на Рис.1), так и с использованием
пар коррелированных в классическом смысле фотонов. В их работе было
показано, что никакая сколь угодно сильная классическая
статистическая корреляция не позволяет воспроизвести эффект, основанный
на запутанности фотонов. Различие между "квантовым" и "классическим"
случаем можно пояснить следующим образом. Можно рассмотреть две
возможные схемы детектирования одного из фотонов пары: 1) приход
одного фотона в некоторую точку на плоскости x2 (см.
рисунок) регистрируется независимо от того, был ли зафиксирован
приход второго фотона; 2) приход фотона в некоторую точку на плоскости
x2 регистрируется только если зафиксирован фотон на выходе
из другой оптической системы (в любой точке плоскости x1).
С точки зрения классической теории вероятности две определенные
таким образом плотности вероятности регистрации фотона неразличимы,
однако в случае пары запутанных фотонов плотности вероятности для
двух этих случаев имеют, вообще говоря, различный вид. Поэтому только
в последнем случае мы можем получать какую-то информацию об объекте,
помещенном в другую оптическую систему.
1. D.V.Strekalov, A.V.Sergienko, D.N.Klyshko, and Y.H.Shyh. Phys.Rev.Lett.
v.74, 3600 (1995).
2.Ayman F.Abouraddy, Bahaa E.A.Saleh, Alexander V.Sergienko, and
Malvin C.Teich. Phys.Rev.Lett. v.87, 123602 (2001).
|