Приготовление, измерение и управление квантовыми состояниями света – основные задачи квантовой оптики, лежащие в основе квантовых вычислений, квантовой связи и квантовой метрологии

Фундаментальную роль в квантовой физике занимают тепловые состояния света. Исследование их спектра привело ученых к концепции фотона, а исследование корреляций теплового света на однофотонном уровне дало толчок к развитию квантовых методов описания света. До сих пор тепловые состояния света являются «рабочей лошадкой» квантовой оптики, на которой апробируются новые квантовые эффекты.

В рамках проекта на тепловых состояниях был экспериментально апробирован новый метод реализации последовательного уничтожения заданного числа фотонов. При этом было уничтожено рекордное количество фотонов – 10.

С уничтожением фотонов связан открытый недавно эффект квантового вампира, суть которого состоит в том, что уничтожение фотона в некоторой части светового пучка воздействует на весь пучок как целое, таким образом, форма пучка не искажается, т. е. оператор уничтожения не отбрасывает тени. Изначально этот эффект демонстрировался лишь на фоковских состояниях света (c заданным числом фотонов), причем в урезанном двухмодовом режиме. В рамках проекта удалось показать, что эффект квантового вампира также применим и к тепловым состояниям, что позволило продемонстрировать его в исходной формулировке, то есть экспериментально подтвердить отсутствие тени.

Но, безусловно, наиболее интересные оптические эффекты связаны с неклассическими состояниями света, среди которых ведущую роль играют бифотонные поля, приготавливаемые в процессе спонтанного параметрического рассеяния (СПР) света, когда фотон мощного лазерного излучения накачки в нелинейной среде с квадратичной нелинейностью спонтанно распадается на пару фотонов, коррелированных по времени рождения. Эти корреляции позволяют их использовать в задачах квантовых измерений и квантовой связи. В силу свойств преобразования Фурье время корреляции между фотонами пары обратно пропорционально ширине частотного спектра каждого из них, поэтому, чтобы приготовить хорошо коррелированные по времени бифотоны, необходимо уширить их спектр. Ширина спектра бифотонов ограничена условиями фазового синхронизма, и она увеличивается с уменьшением длины нелинейной среды. В рамках проекта был экспериментально апробирован новый метод уширения спектра бифотонов. Суть его сводится к тому, что нужно жестко сфокусировать луч накачки и также сильно сфокусировать радиус приемной моды бифотонного излучения. В этом случае из-за эффекта пространственного сноса они будут перекрываться лишь на ограниченном участке нелинейного кристалла, что уменьшает эффективную длину нелинейного взаимодействия и уширяет спектр. Интересно, что при этом не проседает спектральная интенсивность излучения, поскольку малая длина взаимодействия компенсируется жесткой фокусировкой. Этот метод удалось экспериментально продемонстрировать и получить бифотонное поле с широким спектром и достаточно высокой интенсивностью, чтобы его можно было далее использовать в задачах квантовой метрологии и квантовой связи.

Наконец, третьим квантовым состоянием света, исследуемым в рамках проекта, было трехфотонное спонтанное параметрическое рассеяние. Этот процесс отличается от стандартного эффекта СПР тем, что в этом случае фотон накачки попадает в среду с кубичной нелинейностью и распадается на тройку фотонов. Несмотря на то, что этот эффект был предсказан много лет назад, экспериментально он до сих пор не был зарегистрирован. Дело в том, что величина кубической нелинейности на много порядков меньше квадратичной нелинейности, поэтому эффективность трехфотонного СПР очень мала. В качестве подходящей среды для генерации трехфотонного СПР рассматривались оптические волокна, поскольку малая эффективность в них может быть скомпенсирована большой длиной нелинейного взаимодействия. В рамках проекта нами был исследован этот метод и оказалось, что, во-первых, длина взаимодействия все же сильно ограничена поглощением накачки в волокне, кроме того, в волокнах наблюдается сильное паразитное излучение люминесценции, связанной с примесями в волокне. Дело в том, что для генерации трехфотонного СПР также необходимо выполнение условий фазового синхронизма, а для их обеспечения необходим высокий контраст показателя преломления в сердцевине и в оболочке этого волокна. Для создания такого контраста волокно допируют германием, но это приводит к появлению люминесцирующих дефектов в объеме волокна.

Мы показали, что частично эту люминесценцию можно подавить, подвергнув волокно воздействию водорода под большим давлением и при высокой температуре. Это позволяет уменьшить паразитное излучение на 2 порядка, но оно все еще на 8 порядков выше расчетной интенсивности трехфотонного СПР. Поэтому использование таких волокон для этой задачи мы посчитали бесперспективным и решили рассмотреть резонаторы с модами шепчущих галерей.

В таких резонаторах свет бегает по кругу, причем, если добиться высокого качества полировки, то можно добиться того, чтобы свет делал внутри резонатора миллионы оборотов. Если сделать такой резонатор из нелинейной среды, и запустить туда излучение накачки, то есть шанс, что за время пробегания накачки по резонатору там успеет родиться тройка фотонов. Мы рассчитали параметры резонатора из фторида магния, в котором реализуются условия синхронизма для генерации трифотонов, изготовили такой резонатор и измерили его добротность, которая составила 3 миллиона (столько кругов в среднем пройдет накачка по резонатору без затухания). Полученные результаты дают основания рассчитывать на успешное завершение эксперимента по наблюдению трифотонов в ближайшие годы.