Физики из Российского квантового центра, МФТИ, ФИАНа и парижского Института оптики придумали метод создавать особое состояние квантовой запутанности, которое позволяет получить сверхточную линейку, способную измерять расстояние в сотни километров с точностью до миллиардных долей метра. Результаты исследований опубликованы в престижном научном журнале Nature Communications.

«Эта техника позволяет использовать квантовые эффекты для повышения точности измерения расстояния между наблюдателями, которые отделены друг от друга средой с потерями. В такой среде квантовые характеристики света легко разрушаются», – говорит Александр Львовский, соавтор статьи, руководитель научного коллектива в РКЦ, выполнившего исследование, и профессор университета Калгари.

Предметом исследований стали так называемые N00N-состояния фотонов, в которых возникает суперпозиция пространственных положений не одного фотона, а сразу множества. То есть многофотонный лазерный импульс одновременно находится в двух точках пространства.

Эти состояния могут иметь большое значение для метрологии, точнее для резкого улучшения возможностей оптических интерферометров, например, для тех, что использовались для открытия гравитационных волн в рамках проекта LIGO.

В оптических интерферометрах лучи лазера, приходящие от двух зеркал, «смешиваются» друг с другом, и возникает интерференция – волны света, накладываясь, либо гасят друг друга, либо усиливают – в зависимости от точного положения зеркал. Это позволяет измерять их микроскопические смещения, потому что расстояние между полосами равно длине волны – примерно 0,5–1 микрона. Однако для многих экспериментов нужна еще более высокая точность. Например, для обнаружения гравитационных волн требовалось измерять смещения, сопоставимые с диаметром протона.

И здесь могут пригодиться N00N-состояния, поскольку при интерференции они создают полосы, расстояния между которыми много меньше длины волны. Соответственно, повышается и точность измерения расстояний.

«Проблема в том, что N00N-состояния чрезвычайно чувствительны к потерям. Проходя большие расстояния – как в атмосфере, так и по волоконным каналам – луч света неминуемо ослабляется. Для обычного, классического света это не так страшно. А вот если запутанное световое состояние пройдёт через среду даже с небольшими потерями, и запутанность «распутается», и никакой выгоды мы от неё уже не получим», – говорит Львовский.

Он и его коллеги наши способ решить эту проблему.

«Есть такое явление – обмен запутанностями. Допустим, у Алисы и Боба (так в физике называют участников обмена квантовыми объектами) есть по запутанному состоянию. Тогда если я возьму одну часть запутанного состояния от Алисы, вторую от Боба, и проведу над ними совместное измерение, то оставшиеся части состояний Алисы и Боба тоже станут запутанными, хотя до этого никогда не взаимодействовали», – говорит Львовский.

«В нашем эксперименте, который проводился в лаборатории РКЦ, Алиса и Боб создают два запутанных состояния. И посылают одну из частей в среду с потерями, которую в нашем опыте моделирует затемненное стекло. Третий наблюдатель, посередине между Алисой и Бобом, проводит совместное измерение на этих частях. В результате происходит обмен запутанностями: оставшиеся части состояний Алисы и Боба оказываются в состоянии N00N. А поскольку эти части потерь не испытали, они выказывают свои квантовые свойства в полной мере», – объясняет ведущий автор статьи, научный сотрудник РКЦ и аспирант МФТИ Александр Уланов.

По его словам, уровень потерь в этом стекле соответствовал толще атмосферы примерно в 50 километров, а в целом этот метод позволяет обеспечить сверхточные измерения дистанций в сотни километров, что вполне удовлетворяет современным требованиям – плечо интерферометра LIGO, например, имеет длину около 4 километров.

Physicists from the Russian Quantum Center (RQC), MIPT, the Lebedev Physical Institute, and L’Institut d’Optique (Palaiseau, France) have devised a method for creating a special quantum entangled state. This state enables producing a high-precision ruler capable of measuring large distances to an accuracy of billionths of a metre. The results of the study have been published in Nature Communications.

“This technique will enable us to use quantum effects to increase the accuracy of measuring the distance between observers that are separated from one another by a medium with losses. In this type of medium, quantum features of light are easily destroyed,” says Alexander Lvovsky, a co-author of the paper, the head of the RQC scientific team that conducted the research, and a professor of the University of Calgary.

The study focused on what is known as N00N states of photons in which there is a superposition of spatial positions of not one, but several photons. That is, a multiphoton laser pulse is at two points at the same time.

These states could be important for metrology, or, more precisely, they could significantly improve the capabilities of optical interferometers, such as those used to detect gravitational waves in the LIGO project.

In optical interferometers, laser beams from two mirrors “mix” with each other and interference occurs – the light waves either strengthen or cancel each other – depending on the exact position of the mirrors. This allows their microscopic displacements to be measured, because the distance between the interferometric fringes is the same as the wavelength – approximately 0.5–1 microns. However, many experiments require even greater precision. Detecting gravitational waves, for example, required measurements of displacements comparable to the diameter of a proton.

“Though such extremely high sensitivities have already be achieved, N00N states could be useful to increase the accuracy even further, because the interference fringes they create are much narrower than the wavelength.” – says Philippe Grangier, another co-author of the study, a professor of L’Institut d’Optique.

“The problem is that N00N states are extremely susceptible to losses. When travelling over long distances –in either atmospheric or fiber channels – a light beam inevitably loses intensity. For ordinary, classical light, that does not matter too much. But if an entangled state of light passes through a medium with even small losses, it “disentangles” and is no longer useful,” says Lvovsky.

He and his colleagues found a way of solving this problem.

“There is a phenomenon called entanglement swapping. Suppose that Alice and Bob have an entangled state. If I then take one part of Alice’s entangled state, and another part from Bob, and I do a joint measurement on them, the remaining parts of Alice’s and Bob’s states will also become entangled even though they never interacted” says Lvovsky.

“In our experiment conducted at the RQC laboratory, Alice and Bob create two entangled states. The send one of the parts to a medium with losses, which in our experiment is simulated by darkened glass. A third observer, midway between Alice and Bob, conducts joint measurements on these parts. This results in entanglement swapping: the remaining parts of Alice and Bob’s states are in the N00N state. And as these parts did not experience losses, they exhibit their quantum properties in full,” explains the lead author of the paper, Alexander Ulanov, a researcher at RQC and MIPT postgraduate student.

According to him, the level of losses in the glass corresponds to an atmospheric thickness of approximately 50 kilometres. The same method could also be used for light propagating in vacuum, either in the current ground-based interferometers such as LIGO, or in future space-based ones such as LISA.