Ученым впервые удалось наблюдать и контролировать квантовую неопределенность в режиме реального времени, применив для этого ультракороткие лазерные импульсы. Благодаря особым свойствам сжатого света, исследователи открывают возможности для разработки сверхскоростных и безопасных систем квантовой связи.
С позиций квантовой физики, свет обладает двумя взаимосвязанными характеристиками: положением и импульсом (или интенсивностью) частиц. Согласно принципу, получившему название «квантовая неопределенность» или принципу неопределенности Гейзенберга, эти параметры не могут быть измерены одновременно с абсолютной точностью. Для определения степени этой неопределенности физики используют произведение двух измерений, которое не может быть меньше установленного значения. Обычный свет можно сравнить с круглым воздушным шаром, где неопределенность равномерно распределена между его характеристиками. Если же шар приобретает овальную форму, то одно из измерений становится определить легче, чем другое, поскольку распределение воздуха становится более заметным с каждой стороны. Этот же принцип относится к сжатому свету, или квантовому свету. Сжатый свет представляет собой вытянутый овал, где одно свойство становится более «тихим» и точным, а другое — более «шумным».
Коротковолновое излучение, подобное этому, применяется в детекторах гравитационных волн, например, в Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), для подавления шума и повышения чувствительности при обнаружении. Ранее эти методы использовали лазерные импульсы продолжительностью в несколько миллисекунд. В ходе последних исследований, в журнале Light: Science & Applications, профессор Мохаммед Хассан и его коллеги изучили возможность генерации сжатого света с помощью сверхбыстрых импульсов, измеряемых в фемтосекундах — одной квадриллионной доли секунды. Использование сверхбыстрых лазерных импульсов для генерации квантового света могло бы стать революционным достижением, ознаменовавшим бы первую подлинную интеграцию квантовой оптики и ультраскоростной науки.
Основная трудность при создании интенсивного света с фемтосекундными импульсами заключалась в необходимости синхронизации фаз лазеров, отличающихся по цвету. Обычно это требование предполагает сложные настройки и использование специализированного оборудования. Чтобы преодолеть это ограничение, ученые разработали метод, основанный на так называемом «вырожденном четырёхволновом смешении», которое предполагает взаимодействие нескольких световых источников. В рамках исследования лазерный луч был разделен на три одинаковых луча, после чего они были сфокусированы на пластине из расплавленного кварца. Благодаря этому стало возможным генерировать сверхбыстрый квантовый свет.
Ранее, разрабатывая методы получения сжатого света, усилия были сосредоточены на снижении квантовой неопределенности в фазе фотона, то есть на определении его положения в волне относительно ее длины волны. Хассан и его коллеги создали сжатый свет, уменьшив неопределенность в интенсивности фотона. Им удалось управлять квантовой неопределенностью, определяя изменения между интенсивностью и снижением фазовых колебаний, посредством регулировки положения пластины из расплавленного кварца относительно разделенного луча. Когда пластина ориентирована перпендикулярно световым импульсам, фотоны достигают цели одновременно. При незначительном изменении угла падения один из фотонов прибывает с небольшим опережением, что позволяет настраивать степень сжатия света.
Впервые в мире продемонстрирована сверхбыстрая компрессия светового потока, проведено измерение и осуществлен контроль квантовой неопределенности в режиме реального времени. Благодаря сочетанию сверхбыстрых лазеров и квантовой оптики, ученые открывают новую перспективу в области сверхбыстрой квантовой оптики.
Для проверки эффективности разработанного метода эксперты провели его тестирование в сфере безопасной связи. Хотя ранее сверхбыстрые и сжатые световые импульсы применялись раздельно для передачи двоичной информации, их совместное использование позволит повысить и скорость, и уровень безопасности. В квантовых сетях любая попытка перехвата информации фиксируется незамедлительно. В теории, злоумышленник мог бы получить доступ к данным, используя ключ расшифровки. Однако, благодаря технологии, созданной Хассаном и его командой, нарушитель не только изменил бы квантовое состояние, но и должен обладать знанием ключа и точной амплитуды импульса. Его действия по изменению амплитуды привели бы к искажению сжатия, что лишило бы его возможности определить правильную неопределенность, делая расшифрованные данные некорректными.
Помимо защищенной связи, фемтосекундное квантовое излучение также применимо для совершенствования квантового зондирования, медицинских диагностических технологий, разработки новых лекарственных препаратов и контроля за состоянием окружающей среды.