Группа российских ученых из МФТИ, МИФИ и Института ядерных исследований РАН достигла значительного прогресса в изучении квантовой запутанности, создав и успешно протестировав инновационную экспериментальную установку для измерения поляризационных корреляций фотонов, образующихся при аннигиляции электрон-позитронных пар.
Схема двухплечевой экспериментальной установки, состоящей из комптоновских поляриметров (а), и фото установки (б) / © «Приборы и техника эксперимента»
Результаты исследования опубликованы в журнале РАН «Приборы и техника эксперимента». Квантовая запутанность — это удивительное явление, когда две или более частиц связаны между собой таким образом, что их квантовые состояния оказываются скоррелированными, даже если эти частицы пространственно разделены.
Аннигиляция электрон-позитронных пар в состоянии покоя является одним из классических источников запутанных фотонов, обладающих взаимно-перпендикулярной поляризацией. Но взаимодействие этих фотонов с веществом может привести к декогеренции — потере квантовой запутанности.
Разрешение противоречий в понимании комптоновского рассеяния запутанных и декогерентных фотонов является главной задачей недавнего исследования российский ученых. Некоторые теоретические работы ставили под сомнение результаты предыдущих экспериментов, утверждая об идентичности рассеяния в запутанном и декогерентном состояниях. Это противоречие требовало прямого экспериментального сравнения.
«Наша работа предоставляет возможность непосредственно сравнить поляризационные корреляции рассеянных аннигиляционных фотонов в запутанном и смешанном состояниях, что позволяет разрешить длительные споры в научном сообществе», — рассказал Султан Мусин, ассистент кафедры общей физики МФТИ, младший научный сотрудник ИЯИ РАН.
Для решения этой задачи учёные разработали и построили уникальную двухплечевую экспериментальную установку, представляющую собой систему комптоновских поляриметров. Установка состоит из двух идентичных плеч, расположенных симметрично относительно источника аннигиляционных фотонов.
Для декогеренции в экспериментах использовался процесс рассеяния Комптона. В качестве рассеивателей в установке расположены цилиндры из пластмассового сцинтиллятора, регистрирующие энергию электронов отдачи при комптоновском рассеянии фотонов. Размеры рассеивателей (диаметр 20 миллиметров, длина 30 миллиметров) подобраны для оптимизации эффективности рассеяния и минимизации вероятности двойного рассеяния в одном детекторе.
По окружности вокруг каждого из основных рассеивателей были расположены детекторы рассеянных фотонов: 32 детектора NaI(Tl) (кристаллы иодида натрия, активированные таллием). Они регистрируют рассеянные фотоны, предоставляя информацию об их энергии и направлении. Высокое энергетическое разрешение (около 3,5 процента для энергии 511 кэВ) критически важно для точности измерений.
В одном из плеч установки был установлен сцинтиллятор GAGG (гадолиний-алюминий-галлиевый гранат). Он служит для контролируемой декогеренции фотонов. Регистрация сигнала в этом детекторе означает, что фотон перешел в декогерентное состояние; отсутствие сигнала — сохранение запутанности.
Установка регистрирует совпадения сигналов в основных рассеивателях двух плеч. Это позволяет отбирать события, где оба фотона из пары участвуют в комптоновском рассеянии. Информация о рассеянии (энергии и углы) регистрируется с помощью высокоскоростного амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП).
Обработка данных включает калибровку детекторов с использованием радиоактивных источников и моделирования Монте-Карло (программа Geant4) для учета влияния геометрических факторов и энергетического разрешения детекторов.
Эксперимент подтвердил возможность измерения и сравнения поляризационных корреляций пар рассеянных аннигиляционных фотонов в запутанном и декогерентном состояниях. Анализ данных показал синусоидальную зависимость числа совпадений в детекторах от угла между ними, что согласуется с квантовой теорией запутанности. Получены амплитудные характеристики всех детекторов, что позволило минимизировать влияние фоновых процессов и повысить точность измерений.
Разработанная установка может быть использована для дальнейших исследований в области квантовой оптики, квантовой информации и квантовых измерений.
Авторами исследования было показано, что применение органических и неорганических сцинтилляторов позволило создать относительно простую установку по регистрации комптоновского рассеяния обсуждаемых фотонов. Благодаря низкому эффективному заряду пластмассового сцинтиллятора обеспечена оптимальная эффективность комптоновского рассеяния при минимальной вероятности фонового двукратного рассеяния в основном рассеивателе. Дальнейшие исследования будут направлены на повышение точности измерений, расширения функциональности установки для изучение более сложных квантовых состояний.
