"Квантовая линейка" позволит лучше "слышать" чёрные дыры

Физики из Российского квантового центра, МФТИ, ФИАН и Парижского института оптики придумали, как создавать особое состояние квантовой запутанности, чтобы получить сверхточную линейку. Новинка сможет измерять дистанции в сотни километров с беспрецедентной точностью до миллиардных долей метра. Соответствующая статья опубликована в Nature Communications .

В оптических интерферометрах вроде тех, что использовались для открытия гравитационных волн от чёрных дыр ( LIGO ), для особо точных измерений задействуют лазерные лучи. Они приходят отражёнными от двух зеркал, "смешиваются" друг с другом, и тогда возникает интерференция. Так называют взаимодействие световых волн, которые при наложении либо гасят друг друга, либо усиливают. Что именно случится с волнами, усиление или гашение, зависит от мельчайших изменений в пространстве между двумя зеркалами. Такая нетривиальная схема нужна, чтобы измерять микроскопические смещения этих зеркал — вплоть до 0,5—1,0 микрона (ограничением здесь служит длина используемой световой волны). Однако для многих экспериментов нужна ещё более высокая точность — буквально нанометровая, которую простой интерференцией не достичь.

Тогда учёные решили приспособить для измерений ещё более чувствительные так называемые N00N-состояния фотонов. В них возникает суперпозиция пространственных положений не одного фотона, а сразу множества. Это означает, что невозможно определить измерениями, в какой именно точке пространства находится каждый из группы фотонов. То есть с точки зрения физики многофотонный лазерный импульс такого рода одновременно "находится" в двух точках пространства. Полезной особенностью N00N-состояния фотонов является то, что при интерференции "полосы" между такими световыми волнами куда тоньше, чем между обычными. Ведь если эти волны "находятся" сразу в двух местах одновременно, то расстояние между ними уже не ограничено длиной этой волны. Используя более компактные полосы, легко повысить точность измерений расстояний.

Проблемой этого метода оказалось то, что N00N-состояния фотонов чрезвычайно чувствительны к потерям. Между тем что в атмосфере, что в оптоволоконных каналах луч света неминуемо ослабляется. Для обычного, классического света это до определённого предела терпимо. А вот "запутанное" состояние фотона (суперпозиция) при прохождении через среду с потерями "распутается", разрушится. Чтобы решить эту проблему, российские учёные использовали "обмен запутанностями".

В эксперименте, проводившемся в Российском квантовом центре, Алиса и Боб создают два запутанных состояния и посылают одну из частей одного из таких состояний через среду с потерями (затемнённое стекло). Третий наблюдатель, находящийся посередине между Алисой и Бобом, проводит совместное измерение на этих двух частях, поступивших от Алисы и Боба. В результате происходит обмен запутанностями: оставшиеся части состояний Алисы и Боба оказываются в состоянии N00N. А поскольку эти оставшиеся части потерь не испытали, они не теряют свои квантовые свойства даже несмотря на потери при передачи других частей этих же запутанных состояний.

Уровень оптических потерь в стекле, использованном в эксперименте, соответствовал земной атмосфере толщиной примерно в 50 километров. Таким образом, новый метод сверхточных квантовых измерений должен без проблем работать для дистанций до сотен километров. Это означает, что на их базе можно создать интерферометры куда более точные, чем сегодняшние. Так, плечо интерферометра LIGO имеет в длину лишь 4 километра.

Поиск гравитационных волн от сливающихся чёрных дыр имеет большое значение для современной астрономии: чёрные дыры умеренных масс другим образом почти невозможно выявить.