Достигнуто запутывание световых импульсов, содержащих более ста тысяч фотонов

Физики из России и Германии провели эксперимент, в котором наблюдалось запутывание по поляризации импульсов, содержащих около 10⁵ фотонов. Отметим, что до настоящего момента никому не удавалось создать запутанное состояние, в котором находилось бы более 12 фотонов. Этот рекорд был установлен в 2004 году франко-американской научной группой, работавшей по общепринятой схеме с детекторами одиночных фотонов — лавинными фотодиодами. Экспериментальная схема, предложенная российскими и германскими исследователями, отличается от традиционной и предполагает использование сразу двух кристаллов бета-бората бария, реализующих хорошо известный процесс спонтанного параметрического рассеяния. Суть его в том, что фотоны, направляемые на кристаллы, «распадаются» на пары запутанных квантов А и В, имеющих одинаковые поляризации, но разные энергии, сумма которых равна энергии исходных частиц. В нашем случае на бета-борат бария подавались импульсы от лазера на иттрий-алюминиевом гранате с неодимом с длиной волны в 355 нм, а длины волн λ_А и λ_В равнялись 635 и 805 нм.

Полная схема опыта. PBS — поляризационный светоделитель, ВВО — кристалл бета-бората бария, DM — дихроическое зеркало, OG — фильтр, DP — дихроическая пластинка, А — апертура, HWP и QWP — полу- и четвертьволновая пластинки, GP — призма Глана (поляризационный светоделитель). (Иллюстрация авторов работы.)

Экспериментаторы установили кристаллы в двух плечах обычного интерферометра Маха — Цандера под прямым углом друг к другу. Излучение лазера, таким образом, сначала попадало на поляризационный светоделитель, затем — на бета-борат бария, а после этого импульсы, поступающие с каждого кристалла, объединялись на втором светоделителе. Сохранившиеся в выходном пучке 355-нанометровые фотоны устранялись с помощью дихроических зеркал и фильтра.

Подготовленный импульс попадал на так называемую дихроическую пластинку, которая создавала «сдвиг» между поляризациями фотонов А и В. В итоге измерение горизонтальной поляризации для кванта с каким-то одним значением энергии (скажем, А) должно было давать вертикальную поляризацию для частицы с другой энергией (В).

Чтобы доказать, что в опыте действительно было достигнуто запутанное состояние, авторам пришлось направлять импульс на третий поляризационный светоделитель, на выходах которого стояли детекторы — p-i-n-диоды с зарядочувствительными усилителями. Для каждого приходящего светового импульса эти сборки выдавали импульс фиксированной формы с амплитудой, пропорциональной количеству зарегистрированных электронов. Анализируя корреляции между сигналами с двух детекторов, физики надёжно установили факт запутывания.