Новое в квантовой информатике. Сильные взаимодействия между некогерентными фотонами

Опубликованная в конце июля в журнале Nature работа о создании однофотонных трансмиттеров привлекает внимание по нескольким причинам.

Во-первых, интересна личность одного из соавторов работы, Михаила Лукина -- гордости и надежды одновременно американской и российской науки. Выпускник МФТИ Лукин (фото) уже много лет работает в Гарварде, занимается проблемами квантовой оптики и квантовой информации, за что в 2009 году был удостоен премии Раби в области атомной, молекулярной и оптической физики. Стал известен благодаря циклу работ по «остановке» (на самом деле, замедлению) световых импульсов. В настоящее время активно участвует в «Сколковской» инициативе, направленной на привлечение наших бывших соотечественников, работающих на Западе, к развитию и поддержанию науки в России. Для тех, кто интересуется и/или изучает квантовую физику, могу порекомендовать его курс лекций (доступен в интернете).

Во-вторых, в работе затронута весьма серьезная и сложная проблема, стоящая на пути создания реальных, быстро и эффективно работающих устройств по обработке квантовой информации. Простым языком эту проблему можно сформулировать так: те объекты, которые живут по законам квантовой физики (электроны, фотоны, атомы) слишком малы, чтобы можно было легко контролировать их состояние, а те объекты, которые мы можем легко контролировать, слишком велики, для того, чтобы жить в квантовом мире (т.н., квантовая пропасть). По существу все усилия современных исследователей в области квантовых компьютеров, квантовой криптографии, квантовой коммуникации и т.п. направлены на поиск компромисса между большим (макроскопическим) размером носителя информации и способностью сохранять квантовые свойства хоть сколь-нибудь разумное время. (Под макроскопическими современная физика подразумевает объекты, имеющие размеры несколько нанометров и более).

Что же сделали исследователи из объединенной группы Массачусетского технологического института и Гарвардского университета? Им удалось создать некий макроскопический объект (специальную среду из атомов Ru), способный испускать контролируемым образом по одному микроскопическому, квантовому объекту -- фотону. Разберемся с этим подробнее.

Одиночные фотоны являются основным «рабочим» инструментом квантовых криптографических протоколов, вся секретность (защищенность) которых базируется на невозможности дважды измерить состояние одного и того же фотона. На бумаге все выглядит идеально – законы квантовой механики утверждают, что после однократного считывания информации сам фотон (или, по крайней мере, закодированная в нем квантовая информация) исчезают бесследно. Однако в реальной жизни получить один фотон с закодированной на нем информацией (т.е., в заданном состоянии) крайне сложно. Для этого необходимо уметь манипулировать состоянием одного отдельного атома, да еще такого, который сам по себе и ни с чем не взаимодействует. На практике же, наоборот, работают с лазерным излучением, которое создается большим количеством атомов и, как следствие, не имеет фиксированного числа фотонов (число фотонов может флуктуировать).

На сегодняшний день проблема создания сигналов, пригодных для использования нужд квантовой криптографии, решается двумя способами – либо генерацией очень слабых лазерных импульсов, в которых вероятность обнаружить одновременно два фотона крайне мала, либо использованием специальных нелинейных кристаллов. В последнем случае, при прохождении света через кристалл могут возникать пары фотонов, состояния которых согласованы. Измеряя состояние одного из фотонов («герольд»), создают (с определенной вероятностью) одиночный фотон  в известном состоянии.

В обсуждаемой здесь работе предложен совершенно новый способ создания одиночных фотонов. Для того, чтобы оценить его по достоинству, придется вернуться к идее первых работ Лукина по «остановке света». Идея основана на хорошо известном в квантовой оптике эффекте просветления среды (electromagnetically induced transparency - EIT) и существовании т.н. темных состояний атомов. Рассмотрим атом, у которого есть три состояния (см. Рис.1). Если облучить этот атом двумя световыми импульсами с несколько отличающимися частотами (которые соответствуют переходам между состояниями 1 и 2 и 2 и 3, стрелки на Рис.1), то может возникнуть специфическое квантовое состояние системы, при котором атом «захватил» оба фотона, а испустить ни один не может. Это состояние называют темным (свет поглотился средой и не проходит). Если же один из источников света выключить (убрать каким-то образом один фотон), то тут же испустится и второй фотон (просветление среды, свет проходит). Механическая аналогия этого явления изображена на Рис.2 (отметим, что не следует воспринимать ее буквально, поскольку квантовые объекты живут немного по другим правилам, нежели классические): в системе из трех шариков (уровни атома), соединенных двумя пружинками (фотоны) можно создать состояние, когда крайние шарики колеблются, а средний стоит (темное состояние). Если же резко остановить крайний шарик, то средний придет в движение (испустит фотон).

 

Для «остановки» света, (вернее, для замедления световых импульсов) использовались темные состояния, которые можно реализовать на системе атомов рубидия, у которого удобная для экспериментов система энергетических уровней. Из двух световых пучков один являлся контролирующим и служил для затемнения/просветления среды, а второй – информационным. Информационный сигнал представлял собой распределенный в пространстве сигнал, состоящий из большого количества фотонов. При включении контролирующего пучка информационный сигнал «замирал», становился невидимым («прятался» в состоянии атомов), и с очень маленькой для света скоростью (до 1 км/с) «полз» через среду. При выключении контролирующего сигнала информационный сигнал становился видимым и уходил из среды. Важно, что в этих экспериментах 10-летней давности атомы Ru не взаимодействовали друг с другом, т.е. образовывали газ. Вследствие этого, при просветлении каждый атом испускал фотон независимо от других атомов. Именно поэтому в те годы работали с макроскопическими информационными сигналами.

В недавних экспериментах первого из авторов работы, T.Peyronel, удалось получить среду из атомов рубидия, которые достаточно сильно взаимодействуют друг с другом. Подчеркну, что это ни в коем случае не твердое тело и не жидкость – атомы удерживаются в пространстве благодаря специально сконфигурированному электромагнитному полю, однако при этом существует и достаточно быстро убывающее с расстоянием взаимодействие между соседними атомами. Среда из таких атомов тоже может затемняться и просветляться, как и газ, однако возникают некоторые особенности. Чтобы проиллюстрировать их, обратимся опять к механической аналогии. Пусть теперь у нас не три соединенных пружинками шарика, а много таких троек, причем между «верхними» шариками троек тоже есть связи (см. Рис.2). Ясно, что неподвижное (темное) состояние «средних» шариков допустимо, но только при согласованном движении «верхних» шариков. Для того же, чтобы все средние шарики пришли в движение (все атомы испустили по фотону), необходимо затормозить сразу все «верхние» шарики. Если же затормозить только один «верхний» шарик, то испустится один фотон, а испускание всех остальных будет заблокировано за счет «отдачи». Еще одна особенность такой системы состоит в том, что крайние тройки отличаются от всех остальных отсутствием одного соседа. Это приводит к тому, что условия затемнения/испускания для крайних атомов должны отличаться от всех остальных.

Вернемся теперь к созданию однофотонных сигналов. Итак, есть среда, которую можно представлять себе как цепочку взаимодействующих атомов рубидия. Запускаем с одной стороны в цепочку информационный сигнал, состоящий из большого количества фотонов, и включаем контролирующий пучок. Среда затемняется, «невидимый» импульс «ползет» по среде. Когда край импульса достигает крайнего атома цепочки, происходит излучение (т.к. условия затемнения для крайнего атома не выполняются), причем излучается только один фотон (и только крайним атомом). За счет «отдачи» та часть импульса, которая находится в среде, «приостанавливается» на некоторое время, а затем опять начинает «ползти», до тех пор, пока не испустится следующий фотон, и так далее. Таким образом, получается система, излучающая одиночные фотоны с определенной скважностью. Тот факт, что используются определенные состояния атомов рубидия, позволяет с высокой точностью предсказать состояния испускаемых фотонов.

Такой трансмиттер может вскоре стать неотъемлемой частью квантово-криптографических приставок. Если же научиться измерять каким-либо образом результат «отдачи», можно создать полноценный генератор одиночных фотонов.

Можно с уверенностью сказать, что физиками, кроме создания основ новых приборов, были впервые проведены эксперименты с единичными нерезонансными фотонами.