Перепутанные частицы

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

В перепутанном состоянии двух частиц известно их общее состояние, а состояние каждой частицы не определено. Благодаря законам сохранения 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. Эйнштейн назвал перепутанное состояние «странным действием на расстоянии», противоречащим принципу «локального реализма» классической физики, где частица взаимодействует только со своим окружением и имеет характеристики, которые не зависят 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.

Перепутанное состояние двух фотонов возникает в процессе спонтанного параметрического рассеяния света (spontaneous parametric down-conversion – SPDC) при прохождении через нелинейный кристалл. Явление теоретически описал Клышко в 1966 г, экспериментальное исследование провели 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 мкм, 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 рассеивается (SPDC type-I). С вероятностью рождаются в одной точке кристалла красные фотоны 1 и 2 с длиной волнымкм усигнального фотона и мкм ухолостого 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. На рис. 6,б фотон накачки проходит перпендикулярно фотографии 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. Синий цвет на рис. 6,б соответствует сигнальному фотону, а красный – холостому фотону.

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 перпендикулярны.