В журнале «Optics Letters» вышла статья «Direct test of the “quantum vampire’s” shadow absence with use of thermal light», подготовленная группой физиков Центра квантовых технологий физического факультета Московского государственного университета.

Ученые получили прямое экспериментальное подтверждение того, что уничтожение фотона в части пучка света не изменяет форму профиля пучка (т. е. «не отбрасывает тень»), но при этом может изменять его яркость. Ранее этот эффект демонстрировался только в упрощенном режиме, когда пучок разделялся на два канала, и удаление фотонов в одном канале приводило к изменениям в другом.

Для подтверждения эффекта «квантового вампира» физики ЦКТ создали установку, в которой из части теплового пучка, имеющей форму вампира, удалялся один фотон. Для сравнения рассматривалась также ситуация, когда в той же области происходило классическое поглощение света, приводящее к тому, что в среднем один фотон терялся. Если в классическом случае профиль пучка изменялся, и «была видна тень», то в квантовом – при уничтожении одного фотона никакой тени не было (см. рис).

Напомним, что «квантовым вампиром» называется эффект, заключающийся в том, что при определенных условиях тело, которое находится на пути у света, «не отбрасывает тени». Если в повседневной жизни мы привыкли к тому, что любой объект, встающий на пути у части потока света, вызывает тень (провал освещенности), то в квантовом мире, если объект устроен таким образом, что поглощает ровно один фотон, вместо «образования тени» за преградой происходит проседание или увеличение освещенности (в зависимости от свойств источника излучения) по всей площади светового пучка.

Эффект позволяет лучше понять - на интуитивном уровне - как работает оператор уничтожения фотона, лежащий в основе квантовой механики, и практически использующийся в большом количестве различных приложений и технологий. Например, его можно применять для физического моделирования квантового теплового двигателя [1] или фотонного демона Максвелла [2]. Отщепление фотона позволяет увеличить чувствительность интерферометров тепловых полей [3], расширить возможности оптических квантовых вычислений [4] и повысить эффективность систем квантового распределения ключа [5].

Впервые эффект «квантового вампира» был экспериментально обнаружен группой Александра Львовского [6]. Ученые провели пробный эксперимент, при котором один или два фотона разделялись светоделителем на два канала, затем в одном из каналов реализовывалось условное уничтожение одного фотона, и это приводило к тому, что фотон уничтожался одновременно в обоих пучках.

Позже сотрудники ЦКТ в своей работе 2018 года [7] доказали, что этот эффект будет выполняться не только для квантовых состояний света с заданным числом фотонов, но и для классического света от теплового источника, т.е. не имеет истинно квантовой природы.

1. Hloušek J., Ježek M., Filip R. Work and information from thermal states after subtraction of energy quanta // Sci. Rep. 2017 Vol. 7, № 1 P. 13046
2. Vidrighin M.D. et al. Photonic Maxwell’s Demon // Phys. Rev. Lett. 2016 Vol. 116, № 5 P. 50401
3. Hashemi Rafsanjani S.M. et al. Quantum-enhanced interferometry with weak thermal light // Optica. 2017 Vol. 4, № 4 P. 487
4. Andersen U.L. et al. Hybrid discrete- and continuous-variable quantum information //Nat. Phys. 2015 Vol. 11, № 9 P. 713–719.
5. Huang P. et al. Performance improvement of continuous-variable quantum key distribution via photon subtraction // Phys. Rev. A - At. Mol. Opt. Phys. 2013 Vol. 87, №1 P. 1–7.
6. I. A. Fedorov, A. E. Ulanov, Y. V. Kurochkin, and A. I. Lvovsky, Optica 2, 112 (2015).
7. K. G. Katamadze, G. V Avosopiants, Y. I. Bogdanov, and S. P. Kulik, Optica 5, 723 (2018).