Экспериментально показано, что информация может распространяться быстрее света
Пол Летт (Paul Lett) и его коллеги из Объединенного Квантового института (Joint Quantum Institute JQI) экспериментально продемонстрировали, как свет в так называемых «быстрых» материалах распространяется быстрее скорости света в вакууме, по крайней мере, в некотором ограниченном смысле. Они представили свои результаты во вчерашнем онлайновом выпуске журнала Nature Photonics.
Большинство исследований в JQI связаны с обработкой квантовой информации, закодированной в виде кубитов — мельчайших квантовых систем, находящихся в суперпозиции состояний. Два и более кубитов могут образовывать более крупные квантовые структуры путем перепутывания (entanglement). Если известна поляризация одного из фотонов, или спин одного из электронов, то автоматически известной становится та же характеристика частиц, перепутанных с ними.
В лаборатории Летта перепутывались лучи света, соответственно, их характеристики (фаза и интенсивность) принимали не дискретные, а непрерывные значения. Незначительные флуктуации мгновенной интенсивности одного луча (их неизбежность диктуется принципом неопределенности Гейзенберга) сопровождаются сопоставимой флуктуацией в перепутанном луче. Степень корелляции этих событий называют взаимной (mutual) информацией.
Летт и его коллеги получали перепутанные лучи в процессе, так называемого, четырехволнового смешивания. Лазерный луч накачки направляли в полость, заполненную парами рубидия. Там два фотона луча накачки преобразовывались в пару вторичных фотонов, имеющих разные энергии и направления движения. Эти фотоны образовывали собственные лучи — пробный и сопряженный, поступавшие в лучевые сплиттеры, где они усиливались светом локальных осцилляторов (который также служил эталоном фазы). Получающаяся интерференционная картина содержала информацию о фазе или интенсивности обоих лучей.
В эксперименте сопряженный луч пропускали через пары рубидия, где свет подвергался аномальной дисперсии. Целью было пронаблюдать как сохраняется перепутанность сопряженного луча с пробным, не испытывавшим дисперсии.
В случае если коэффициент преломления вызывает нормальную дисперсию, световой сигнал замедляется по сравнению с пробным лучом. В этом случае говорят, что материал замедляет свет т.е. является «медленным». Если же происходит аномальная дисперсия (резкое уменьшение преломления с повышением частоты), разные частотные компоненты, составляющие импульс или флуктуацию интенсивности, суммируются на выходе из материала (полости с парами рубидия) таким образом, что пик сопряженного сигнала оказывается немного впереди пика пробного сигнала.
Авторы из JQI не утверждают, что информация в их опытах распространяется быстрее скорости света. Как видно из сопутствующей иллюстрации, групповой пик взаимной информации в «быстром» материале располагается впереди соответствующих пиков нерассеянного света или луча, выходящего из «медленного» материала. Как выяснилось, ценой получения такой аномальной дисперсии является необходимость дополнительного усиления, которое вносит шумы в сигнал. Такое внутреннее ограничение на возможность извлечения полезной информации из поступающего света еще более выражено для лучей, содержащих, в среднем, один или менее одного фотона. Подобные разреженные лучи востребованы во многих квантовых экспериментах, где важны измерительный контроль, хранение или задержка квантовой информации.
«В этих экспериментах мы не пытались нарушить причинно-следственную связь, — говорит Пол Летт. — Работа у пределов квантового шума позволила нам исследовать интригующие различия между медленными и быстрыми материалами в смысле транспорта информации, наблюдать как квантовый шум в фундаментальном смысле «заставляет» соблюдаться причинность».