• 
• Александр Львовский и Александр Уланов в лаборатории квантовой оптики в РКЦ. Фото: пресс-служба РКЦ.

Физики из Российского квантового центра, МФТИ, ФИАНа и парижского Института оптики придумали, как точнее измерять расстояния. Для того чтобы измерять расстояние в сотни километров с точностью до миллиардных долей метра, они использовали квантовые эффекты. Такая точность нужна для обнаружения гравитационных волн.

Ученые исследовали запутанные квантовые N00N-состояния (произносится: «нун-состояния») фотонов, в которых возникает суперпозиция пространственных положений не одного фотона, а сразу множества. В суперпозиции элементарная частица находится в двух взаимоисключающих состояниях — так лазерный импульс из множества фотонов в суперпозиции пространственных положений одновременно находится в двух точках пространства.

При интерференции N00N-состояния создают полосы, расстояния между которыми меньше длины волны. В оптических интерферометрах — устройствах, которые использовались при открытии гравитационных волн в рамках проекта LIGO, — расстояние между полосами равно длине волны — примерно 0,5-1 микрона. Соответственно, использование запутанных состояний повысит точность измерения.

Но запутанные квантовые состояния «распутываются», когда проходят через среду даже с небольшими потерями. Ученые решили эту проблему, использовав «обмен запутанностями».

«Допустим, у Алисы и Боба, как в физике называют участников обмена квантовыми объектами, есть по запутанному состоянию. Если я возьму одну часть запутанного состояния от Алисы, вторую от Боба и проведу над ними совместное измерение, то оставшиеся части состояний Алисы и Боба тоже станут запутанными, хотя до этого никогда не взаимодействовали», — говорит Александр Львовский, соавтор статьи.

• 
• Схема эксперимента

На схеме эксперимента показаны SPCM — однофотонный счетный модуль, который детектировал отдельные фотоны, и гомодинные детекторы Алисы и Боба, расстояние до которых определялось в ходе эксперимента. Иллюстрация из статьи

«В нашем эксперименте Алиса и Боб создают два запутанных состояния и посылают одну из частей в среду с потерями, которую моделирует затемненное стекло. Третий наблюдатель, посередине между Алисой и Бобом, проводит совместное измерение на этих частях. В результате происходит обмен запутанностями: оставшиеся части состояний Алисы и Боба оказываются в состоянии N00N. А поскольку эти части потерь не испытали, они выказывают свои квантовые свойства в полной мере», — объясняет ведущий автор статьи Александр Уланов.

По его словам, потери в стекле соответствовали потерям в атмосфере на расстоянии 50 километров между приемником и передатчиком, а в целом метод позволяет точно измерять расстояния в сотни километров. Для сравнения: длина плеча интерферометра LIGO — около четырех километров.

Результаты исследований опубликованы в журнале Nature Communications.