«Квантовый маятник» применен для обнаружения одиночных фотонов

Для дальнейшего повышения чувствительности спектроскопии требуется надежно измерять индивидуальные частицы света (фотоны), что представляет серьезную технологическую проблему.

В поисках приемлемого решения физики из Института квантовой оптики и информатики (Institute for Quantum Optics and Quantum Information, IQOQI) Австрийской Академии Наук и Института экспериментальной физики при Университете Инсбрука обратились к технике квантовой логической спектроскопии. Она была разработана несколько лет назад группой нобелевского лауреата Дэвида Вайнленда (David Wineland) для создания особо точных атомных часов — одно из первых практических применений теории квантовой обработки информации.

В Инсбруке Христиан Роос (Christian Roos) и Корнелиус Хемпель (Cornelius Hempel) изолировали отдельные ионы в ионной ловушке для изучения в контролируемых условиях. «Мы пытались регистрировать не собственно фотон, излученный или поглощенный ионом, но скорее происходящие вследствие этого изменение импульса иона, — объясняет Хемпель. — Этот эффект исчезающее мал, но его можно обнаружить средствами квантовой физики».

Физики использовали изотоп кальция (40Ca+) как дополнительный «логический» ион для выполнения измерений. Ионом для спектроскопии служил другой изотоп кальция (44Ca+). В эксперименте лазерный импульс возбуждал частицы и осуществлял квантовое переплетение их колебаний с электронным состоянием логического иона. В этом состоянии, называемом состоянием кота Шредингера, ионы раскачиваются в ловушке как классический маятник. Но будучи «квантовым маятником» они раскачиваются в обоих направлениях одновременно.

Затем, лазером с изменяемой частотой возбуждался собственно исследуемый ион. На определенной частоте он излучал одиночный фотон и получал импульс, вызывавший незначительное смещение колебательных компонентов, наблюдаемое посредством электронного состояния логического иона. В предварительных тестах этой концепции, описываемых в журнале Nature Photonics, вероятность обнаружения одиночных фотонов равнялась 12%.

Таким образом, работоспособность метода получила принципиальное подтверждение. Участники эксперимента рассчитывают путем оптимизации установки существенно увеличить ее чувствительность.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI