Для многих экспериментов физикам нужны когерентные фотоны (т.е. фотоны, синхронизированные по фазе и времени). Получить даже пару таких частиц из разных источников фактически невозможно. Однако двойни всё же изредка синтезируют. Теперь же объединённая команда учёных из Канады, Австрии и Австралии придумала, как преобразовать один фотон в тройню.

Для превращения одного фотона в пару подобных ему, физики обычно используют метод спонтанного параметрического рассеяния (parametric down-conversion). На пути лазерного луча помещают нелинейный кристалл, оптические свойства которого меняются при очень высоких интенсивностях падающего излучения.

Время от времени один из приходящих фотонов преобразуется на кристалле в пару. При этом каждая частица обладает частью энергии и момента своего предшественника.

Ещё 20 лет назад физики подсчитали, что существует возможность дополнительно разделить надвое один фотон из образованной пары. То есть на выходе, по идее, можно получить «фотонную тройню». Такой процесс назвали каскадным превращением (cascaded down-conversion).

Средняя вероятность одноступенчатого разделения исходного фотона составляет один к миллиарду, то двухступенчатый процесс должен происходить с одним фотоном из миллиарда миллиардов фотонов (т.е. из 10¹⁸ фотонов)! В ходе эксперимента обнаружить образование такой троицы очень сложно – необходимо очень большие временные интервалы. Именно поэтому ни одной команде учёных до сих пор не удалось зафиксировать такое деление.

Нынешние исследователи ускорили процесс, выставив на пути лазерного луча два периодически поляризованных кристалла: калий-титанил фосфата (PPKTP) и ниобата лития (PPLN).

Рис. 1. Схема эксперимента. Первый источник рассеяния (SPDC1) производит пару фотонов – 0 и 1. Далее «нулевой» фотон движется ко второму источнику рассеяния (SPDC 2), генерирующему вторую пару фотонов – 2 и 3. Оба используемых нелинейных кристалла более эффективны, чем те, что применялись другими командами физиков ранее (иллюстрация Nature).

В результате всех ухищрений вероятность появления фотонов-тройняшек увеличилась в тысячу раз, пишут учёные в пресс-релизе университета Ватерлоо и статье в журнале Nature (также можно посмотреть препринт публикации на сайте ArXiv.org).

В ходе тестовых экспериментов физики фиксировали появление триплетов фотонов в среднем 4,7 раза в час (что значительно выше, чем фоновый шум — 0,5 в час). Как бы то ни было, и это количество не слишком велико. Оттого любые эксперименты с «тройными» фотонами, скорее всего, будут занимать много дней.

Рис. 2. Гистограмма показывает количество триплетов, полученных за 20 часов наблюдения. На нижней шкале отложено время между приходом фотонов под номерами 1 и 3 на свои детекторы. Резкий пик указывает на устойчивую временную корреляцию между всеми тремя обнаружениями частиц (иллюстрация Nature).

Специалист по оптике Ярон Силберберг (Yaron Silberberg) из научного института Вайцмана назвал нынешний эксперимент не иначе как «героическим», а ещё «впечатляющим в достижении, хотя и простым по идее».

В дальнейшем полученные триплеты фотонов учёные собираются использовать для демонстрации квантовой сцепленности «тройняшек» (явления, при котором квантовые состояния частиц, даже разнесённых на большие расстояния, описываются во взаимосвязи друг с другом).

Для этого интернациональной команде физиков необходимо доказать, что при каскадном превращении сумма моментов и энергий полученных фотонов равна таковым показателям у начального кванта света (что в процессе «деления» не происходит потерь). По предварительным расчётам, на эти измерения уйдёт год или чуть больше.

Если же будет достоверно установлено, что тройные фотоны обладают связанными состояниями, то в дальнейшем можно осуществлять более сложные квантовые эксперименты, например создавать квантовые линии связи между тремя абонентами сразу.

Рис. 3. Зависимость средней длины волны второй пары фотонов от температуры периодически поляризованного кристалла ниобата лития для лазерных лучей двух длин волн: зелёные точки – 776 нм, фиолетовые – 775,4 (иллюстрация Nature).

Ранее генерация всего лишь пары связанных фотонов привела к появлению ряда новых направлений в науке и технике: квантовым криптографии, вычислениям, телепортации. Понятно, «тройная система» обогатит возможности такой техники.

Как всегда, лишь время покажет, к чему приведёт нынешнее достижение, — говорит специалист по квантовой физике Эфраим Штейнберг (Aephraim Steinberg) из университета Торонто. — Но уже сейчас учёные дали понять, что возможно ранее казавшееся нам неосуществимым".