Имитационное цветное изображение лазерного луча, демонстрирующее суперпозицию из 10 правых и 10 левых квантов орбитальных моментов, что дает 10+10=20 ярких пятен на внутреннем кольце. Фотоны в таких состояних одновременно вращаются по часовой стрелке и против. (Courtesy: Robert Fickler, Венский университет)
False-colour image of a laser beam exhibiting a superposition of 10 right-handed and 10 left-handed quanta of orbital angular momenta, making 10 + 10 = 20 bright spots on the inner ring. Photons in such modes rotate simultaneously clockwise and anticlockwise.
Жуткое действо с витыми лучами
Физики в Австрии разработали новый метод спутывания фотонов, используя свойство "орбитальный момент". Исследователи говорят, что большое количество орбитального момента, приданное ими фотонам прокладывает путь к запутанности макроскопических объектов, а также может найти применение в области дистанционного зондирования и квантовых вычислений.
Запутанность - это связность между двумя (или более) частицами, которая не существует в классической физике. Это означает, что определение квантового состояния одной частицы автоматически и мгновенно фиксирует квантовое состояние второй частицы, как бы далеко друг от друга эти частицы ни находились - явление, по Эйнштейну известное под названием "жуткое действие на расстоянии". Часто это достигается с помощью поляризации фотонов - направление колебаний электрического поля световой волны - так, что пары запутанных фотонов ограничены в своих поляризациях под прямым углом друг к другу, хотя каждый из фотонов случайно поляризован.
Запутанные пары
В последних исследованиях, Антона Цайлингера (Anton Zeilinger), Роберта Фиклера (Robert Fickler) и их коллег из Университета в Вене запутали фотоны в орбитальном угловом моменте (OУM). Придание фотонам OУM означает кручение волнового фронта луча, так что, при продвижении вперед, волновой фронт вращается вокруг оси распространения. Это свойство хорошо изучено с использованием лазерных лучей и применяется в так называемых оптических гаечных ключах, чтобы заманить в ловушку и вращать небольшие объекты. Но группа Цайлингера заинтересовалась именно запутыванием крученых фотонов, другими словами, получением пар фотонов с противоположными направлениями закрученностями. Эта закрученность представлена квантовым числом
l
- количество поворотов волнового фронта вокруг оси распространения на одной длине волны. "Целью нашего эксперимента было понять, насколько большим мы можем получить это число", говорит участник группы Радек Лапкиевиц (Radek Lapkiewicz).
Другие группы, ранее спутывали фотоны с OУM облучая лазерным лучом "нелинейные" кристаллы, а затем отделяя очень малую долю фотонов, спонтанно разделенных внутри кристалла для получения двух низко энергетических запутанных фотонов. Эти запутанные фотоны несут широкий спектр OУM. Но, как говорит Лапкиевич, этот подход «ограничен тем, что дает природа", допуская значения числа
l
только до 20.
Скручивание вокруг
Австрийская группа также использует нелинейный кристалл для генерации фотонов. В этом случае, однако, фотоны были запутаны поляризационно и эта запутанность была лишь первым шагом. Следующим шагом было отправить фотоны каждой пары по отдельным оптическим волокнам, а затем наделить их OУM. Исследователи сделали это, направляя фотоны на крошечный экран, известный как пространственный модулятор света, представляющий собой устройство, которое изменяет фазу отраженного света от точки к точке, изменяя тем самым форму волнового фронта. Эта деформация волнового фронта зависит от поляризации фотонов, так что фотоны поляризованные в одном направлении получают положительный OУM, в то время как поляризованные под прямым углом получат отрицательный ОУМ. В итоге было изменена запутанность фотонов ? с запутанности поляризационной на запутанность по OУM.
Используя эту методику, Цайлингер и сотрудники обнаружили, что они могли бы получить различия в квантовом числе до 600 (другими словами,
l
= +300 на одном фотоне и
l
= -300 на другом). Лапкиевиц указывает на отсутствие теоретического верхнего предела значению
l
для фотона, то есть, хотя фотон - это квантовый объект, но он может приобрести столько же OУM как макроскопический объект, что приводит по его выражению, к "напряженности в отношениях между квантовым и классическим мирами ". Но он предупреждает, что текущий результат по-прежнему "на много порядков" слишком мал, чтобы повернуть даже крошечные объекты. Он предполагает, что такие манипуляции могут в один прекрасный день стать возможными путем объединения импульсов многих запутанных фотонов вместе.
Дистанционное зондирование и квантовая информация
Группа Цайлингера также говорит, что их метод может быть полезен для проведения дистанционного зондирования, особенно в условиях низкой освещенности экспериментов биологической визуализации. Идея заключается в том, чтобы измерять крошечные вращения путем присоединения вращающегося объекта к круглой маске с регулярно расположенными радиальными прорезями. Один фотон в каждой запутанной паре будет отдавать большое значение OУM, в то время как другой будет сохранять их поляризацию. С маской, помещенной на пути OУM-фотонов и вращаемой очень слабо, уровень одновременного обнаружения двух наборов фотонов изменится. Хитрость заключается в том, что поляризатор, помещенный на пути поляризованных фотонов должен поворачиваться на в
l
раз больший угол, чтобы зарегистрировать одинаковые изменения, таким образом, умножая чувствительность измерения в
l
раз.
По словам Лапкиевица, работа может быть применена и к квантовой информации. Например, говорит он, это позволило бы квантовым процессорам, основанным на поляризационной запутанности быть связанными запутанностью, использующей OУM.
Ханс Бакхор (Hans Bachor) из Австралийского национального университета считает, что запутанность OУM "будет иметь глубокие последствия как для связи квантовой информации, так и для протоколов квантовой логики", и он говорит, что группа Цайлингера сделала "важный шаг вперед" в этой области. Он утверждает, что это будет иметь решающее значение для демонстрации запутанности со многими параметрами. «Эта работа показывает запутанность между двумя режимами с самыми различными квантовыми числами", добавляет он. "Это важно, но это еще только лишь запутанность между двумя параметрами".
Олег Евгеньевич
Механизм кручения проявляется автоматически, если его рассмотреть,
используя только одну деталь, а именно - шар. Для этого необходимо вернуться к рассмотрению 11 свойств шара: см.:
1) Д.Гильберт, С.Фон-Коссен. Наглядная геометрия;
2) Проблемы Гильберта (№18 - о плотнейшей упаковке шаров - Проблема "ПШУ");
3) Имеющееся решение этой проблемы Иоганном Кеплером (1611г.);
4) Его компьютерное "доказательство" Томасом Хейлсом (1998г.);
5) Гипотезу академика В.И.Вернадского о " ... пропущенной в элементарной
геометрии АКСИОМЕ о правизне и левизне геометрических тел и явлений";
6) Реализацию гипотезы (находится в стадии подготовки статьи к 150-летию
со дня рождения В.И.Вернадского - 12 марта 2013г.);
7) Новую конструкцию плотнейшего расположения шаров в пространстве и её
свойств.
Задавайте вопросы и, если Вы заинтересуетесь вышеизложенным,
присоединяйтесь к совместной работе по "запуску в производство"
фундаментальной (по своим следствиям) гипотезы 1941-42гг.
академика В.И.Вернадского.
Кстати, он утверждал: "Царство моих идей впереди!"
С уважением
Иван Анатольевич
О. Е. Кириллов
5 ноября 2012 г.
12:13:26
Да, это и впрямь качественный шаг! Не слыхал, чтобы два параметра спутывали. Забавно, что это явление - спутанность - действительно уже в области инженерии процветает!