Ученые создали первый микроскоп на запутанных фотонах

Исследователи из университетов Осаки и Хоккайдо изобрели метод световой микроскопии, который использует для создания более контрастного изображения запутанные фотоны. Точность данного метода, как отмечают ученые, на 30% превышает стандартный квантовый предел четкости для обычных фотонов.

Стандартный квантовый предел (СКП) в квантовой механике – ограничение, накладываемое на точность непрерывного или многократно повторяющегося измерения какой-либо величины, описываемой оператором, который не коммутирует сам с собой в разные моменты времени. Предсказан в 1967 году В. Б. Брагинским, а сам термин Стандартный квантовый предел (англ. Standard Quantum Limit, SQL) был предложен позднее Торном. СКП тесно связан с соотношением неопределенностей Гейзенберга.

Новый метод дополняет вид оптической микроскопии. Изображение там формируется за счет интерференции пучков света, которые проходят через объект. Когда путь, пройденный одним из пучков, отличается от пути другого, тогда формируются темные и светлые области.

^{Схема пластинки, ее атомно-силовое (справа вверху) и ее оптические изображения (внизу). Слева – на запутанных фотонах, справа – на «обычных»}

^{©Takafumi Ono, Ryo Okamoto, Shigeki Takeuchi}

Благодаря интерференции можно уловить небольшую разницу в плотности или высоте разных частей объекта, однако точность этих измерений и контрастность изображения ограничены принципом неопределенности Гейзенберга.

Принцип неопределённости Гейзенберга в квантовой механике – фундаментальное неравенство (соотношение неопределённостей), устанавливающее предел точности одновременного определения пары характеризующих систему квантовых наблюдаемых, описываемых некоммутирующими операторами (например, координаты импульса, тока и напряжения, электрического и магнитного поля). Соотношение неопределенностей задает нижний предел для произведения среднеквадратичных отклонений пары квантовых наблюдаемых. Принцип неопределенности, открытый Вернером Гейзенбергом в 1927 г., является одним из краеугольных камней квантовой механики.

Стандартный квантовый предел можно преодолеть за счет использования запутанных частиц, несущих больше информации друг о друге, чем независимые фотоны.

Специалисты провели эксперимент, используя в качестве тестового объекта пластинку стекла, на которой в рельефе (его высота составляла всего17 нанометров) была нанесена буква «Q». Сначала ученые использовали обычные фотоны для подсветки пластины. В результате изображение оказалось настолько шумным, что его с трудом можно было заметить. А когда специалисты применили источник запутанных фотонов с соответствующим методом обработки, контрастность изображения увеличилась почти на треть.

В настоящее время источники запутанных фотонов используются, как правило, для исследования возможностей квантовой криптографии.

Квантовая криптография – метод защиты коммуникаций, основанный на принципах квантовой физики. В отличие от традиционной криптографии, которая использует математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, квантовая криптография сосредоточена на физике, рассматривая случаи, когда информация переносится с помощью объектов квантовой механики.