Физики МГУ предложили схему квантового невозмущающего измерения числа фотонов с рекордной чувствительностью

Учёные физического факультета МГУ совместно с коллегами из Российского квантового центра разработали схему, позволяющую проводить квантовые невозмущающие измерения числа фотонов с высокой чувствительностью. Предложенный подход использует оптические микрорезонаторы и сжатые квантовые состояния света, что позволяет измерять квантовое состояние, не разрушая его, и при этом преодолевать Стандартный квантовый предел[1]. Работа открывает новые возможности для высокоточных сенсоров и генерации ключевых состояний для квантовых вычислений. Результаты исследования опубликованы в журнале Q1 Physical Review A.

Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, квантовое измерение неизбежно влияет на измеряемый объект. Например, чтобы узнать положение частицы, мы «толкаем» её фотоном, что возмущает её импульс и, как следствие, само положение — это называется шумом обратного флуктуационного влияния. Концепция квантовых невозмущающих измерений, впервые предложенная на физфаке В.Б. Брагинским и коллегами в 1970-х годах, направлена на то, чтобы устранить это влияние и измерить одну величину (например, число фотонов), при этом сохранив её.

В своей работе исследователи развили эту идею для измерения числа фотонов в световом сигнале в схеме с оптическим микрорезонатором на модах шепчущей галереи[2]. Измеряемый сигнальный луч и дополнительный пробный луч вводятся в микрорезонатор. Благодаря высокой добротности и кросс-керровскому взаимодействию[3] фаза пробного луча начинает зависеть от числа фотонов в сигнальном луче. Измеряя фазу пробного луча на выходе обычным интерферометром, можно узнать интенсивность сигнала. Преимущество нового метода заключается в том, что сигнальный луч остается нетронутым и продолжает существовать. Это позволяет многократно использовать квантовое состояние в эксперименте.

Для борьбы с влиянием потерь и нежелательной самофазовой модуляцией[4], исследователи ввели три ключевых элемента: сжатие луча на входе и внутри резонатора, а также усиление (антисжатие) перед детектором. В результате оптимизации всех элементов, учёные смогли теоретически достичь чувствительности, позволяющей различать десятки и даже единицы фотонов, что значительно превосходит Стандартный квантовый предел.

Предложенная схема представляет фундаментальный интерес, поскольку является одним из немногих теоретических способов генерации неклассических состояний света, которые имеют решающее значение для квантовых технологий.

«Измерение числа квантов в схеме трансформирует входящее состояние сигнала в состояние, близкое к идеальному фоковскому, т.е. с точно заданным числом фотонов,» — объясняет аспирант физфака МГУ Дария Салыкина. — «Это позволяет получать яркие негауссовские состояния, которые критически важны для квантовых вычислений на непрерывных переменных».

Помимо фундаментальных задач, упрощённый вариант схемы может использоваться в высокочувствительных сенсорах для измерения изменений показателя преломления среды, биосенсорах и детекторах частиц.

Работа была поддержана Российским научным фондом (Проект № 20-12-00344) и Госкорпорацией «Росатом» в рамках Дорожной карты по квантовым вычислениям (Контракты № 868-1.3-15/15-2021 и № P2154).

[1] Стандартный квантовый предел – квантово-механическое ограничение, накладываемое на точность непрерывного или многократно повторяющегося измерения какой-либо величины.

[2] Моды шепчущей галереи – резонансные стоячие волны, которые могут возбуждаться в осесимметричных системах из-за эффекта полного внутреннего отражения.

[3] Кросс-керровское взаимодействие – это явление, при котором фаза одной световой волны (луча) изменяется пропорционально числу фотонов (или интенсивности) другой, взаимодействующей с ней световой волны, проходящих через нелинейную среду.

[4] Самофазовая модуляция – нелинейный оптический эффект, при котором фаза световой волны изменяется из-за эффекта Керра пропорционально интенсивности самой волны.