Защита светом. Использование квантовых битов сделает информацию совершенно секретной.

— Неклассическими называются такие состояния света, которые не описываются классической физикой и обладают наиболее выраженными квантовыми свойствами, — объясняет Константин Григорьевич. — Главное такое свойство — неопределенность. У квантового объекта нельзя одновременно измерить координату и импульс: либо одно, либо другое. Если же захотим узнать и то и другое, то результат будет неточным — с некоторой погрешностью или неопределенностью. Аналогичным образом ведет себя свет. Если мы посветим пучком лазера на полупрозрачную пластинку, то можем заранее предсказать, что произойдет: часть пучка от нее отразится, а часть пройдет насквозь. Но если мы ослабим пучок и добьемся того, что в нем будет ровно один фотон, то уже никак не предскажем, как он себя поведет: отразится или пройдет. Мы можем лишь рассчитать вероятности этих двух процессов. Поэтому состояния света с заданным числом фотонов обладают квантовыми свойствами. Есть и другие неклассические состояния, в которых число фотонов не определено, например, интересными квантовыми свойствами обладают состояния с четным или нечетным числом фотонов.

— Для генерации одиночных фотонов используют изолированные одиночные атомы или атомоподобные системы (квантовые точки, дефекты в кристаллах). Если передать атому определенную энергию, то он перейдет в возбужденное состояние, а затем вернется в основное, излучив ровно один фотон.

Для генерации пар фотонов используют эффект спонтанного параметрического рассеяния света. Он заключается в том, что в специальных нелинейных оптических средах один из фотонов мощного лазерного излучения (накачки) может с очень малой вероятностью, порядка 10 в минус 7-й степени, распасться на пару фотонов. Если увеличить интенсивность накачки, то удастся добиться того, что одновременно будет рождаться не одна, а несколько пар фотонов, но количество фотонов всегда будет четным.

— Для регистрации неклассического света используют либо специальные детекторы, которые могут реагировать на отдельные фотоны, либо интерференционные схемы, позволяющие усилить слабое квантовое световое поле. Но для определения квантового состояния необходимо также измерить различные его характеристики: длину волны, направление распространения, поляризацию. Для этого на пути света ставят диафрагмы, светофильтры, поляризаторы. Параметры квантового состояния полностью определяют вероятность прохождения фотона через все эти элементы. Так как у квантового объекта нельзя одновременно измерить все параметры, то нам необходимо приготовить несколько копий одного и того же состояния света, с каждого из них снять размеры по-разному (меняя положение диафрагм, светофильтров, поляризаторов) и на основе полученных данных восстановить исходный вид квантового состояния. Эта процедура называется квантовой томографией, по аналогии с классической томографией, когда мы также не можем измерить трехмерное изображение, но можем посмотреть на него с разных сторон и восстановить объемную картинку на основе разных двумерных проекций.

— Сначала расскажу немного о том, что же, собственно, такое квантовая информация. Единицей классической информации является бит — некая переменная, которая может иметь значения “0” или “1”. В компьютерах и системах связи биты кодируют параметрами физических систем, например, если лампочка светится, то это единица, а если она выключена — то ноль. Но если для кодирования информации мы будем использовать квантовый объект, то получим квантовый бит, который может находиться в суперпозиции двух состояний “0” и “1”. Вычислительная система, оперирующая квантовыми битами, — квантовый компьютер — превзойдет по вычислительным возможностям любой классический компьютер. А использование квантовых битов в системах связи делает передачу информации совершенно секретной. Дело в том, что квантовый объект невозможно измерить, не изменив его состояния, поэтому подслушиватель будет сразу же обнаружен. 

Неклассические состояния света — один из наиболее удобных объектов для кодирования и передачи квантовой информации. Существуют прототипы квантовых вычислительных систем, построенные исключительно на фотонах или использующие их для связи между различными вычислительными узлами. 

Наши исследования, с одной стороны, позволят более эффективно кодировать информацию с помощью квантовых состояний света, увеличивая скорость и дальность передачи данных, а с другой — точнее измерять параметры существующих прототипов квантовых компьютеров, что необходимо для их дальнейшей отладки и доработки.

— Мы занимаемся двумя задачами. Первая посвящена разработке способов генерации трехфотонных состояний света. Сегодня хорошо известен эффект спонтанного параметрического рассеяния, при котором один фотон в специальной, оптически нелинейной среде может распасться на два. Согласно расчетам, существуют и более сложные эффекты, когда один фотон распадается на три, четыре и более фотонов, но вероятность таких распадов резко падает с увеличением количества дочерних фотонов. До сих пор в экспериментах наблюдались только двухфотонные распады. Для повышения эффективности трехфотонных распадов нужно добавить время пребывания фотона в среде за счет увеличения длины среды или использования резонаторов. Сейчас мы занимаемся экспериментами по исследованию возможности генерации трехфотонных состояний света в оптических волокнах. В дальнейшем планируем исследовать специальные резонаторы, представляющие собой диски диаметром несколько миллиметров, в которых свет может долго ходить по кругу. 

Вторая задача состоит в разработке и экспериментальной проверке эффективности новых методов квантовой томографии световых полей. В общем случае квантовое состояние света описывается бесконечным набором параметров, которые к тому же нельзя измерить напрямую. Можно лишь рассчитать, какие результаты мы получим, если будем измерять то или иное состояние. По сути, нам нужно решить обратную задачу: на основе конечного набора экспериментальных данных восстановить бесконечный набор коэффициентов, описывающих квантовое состояние. Понятно, что в общем случае такая задача не имеет решения, но для большинства частных случаев можно найти модель квантового состояния, описываемого конечным и достаточно небольшим количеством параметров, которое будет предельно близко к измеряемому. Чем меньшим количеством параметров описывается модель, тем точнее можно восстановить эти параметры на основе экспериментальных данных. 

Наша задача состоит в том, чтобы найти оптимальные модели для восстановления квантовых состояний света, которые мы получаем в экспериментах. По расчетам, точность разработанных нами методов восстановления квантовых состояний на несколько порядков превышает точность методов, известных в литературе и используемых в ведущих лабораториях мира. Пока мы проверили это экспериментально для классических состояний света, источником которых служит ослабленный лазер, но в ближайшее время планируем опробовать наши модели и на источниках одно- и двухфотонных состояний, получаемых в процессе спонтанного параметрического рассеяния.

— Наша работа ведется в тесном сотрудничестве ученых лаборатории физики квантовых компьютеров Физико-технологического института РАН (ФТИАН) под руководством доктора физико-математических наук Юрия Ивановича Богданова и лаборатории квантовой оптики и квантовой информации физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова под руководством доктора физико-математических наук Сергея Павловича Кулика. 

Именно у Сергея Павловича я начал заниматься квантовой оптикой, когда пришел в возглавляемую им лабораторию в 2006 году. Под его руководством защитил диплом и диссертацию. Занимался разными задачами,  связанными преимущественно с управлением параметрами двухфотонных состояний. С 2011 года стал работать во ФТИАН, а сейчас я сотрудник обеих лабораторий.

В основной состав нашей группы входят еще два сотрудника. Аспирантка физфака МГУ Надежда Борщевская работает в лаборатории квантовой оптики и квантовой информации с 2011 года. Будучи студенткой, она принимала участие в экспериментах по управлению частотными и угловыми параметрами двухфотонных состояний света. Сейчас занимается изучением генерации трехфотонных состояний. Результаты проведенных исследований послужат материалом для ее диссертации. 

Студент магистратуры Национального исследовательского университета “МИЭТ” Грант Авосопянц работает в лаборатории физики квантовых компьютеров ФТИАН с 2013-го. В прошлом году он успешно защитил диплом бакалавра, посвященный квантовой томографии. Сейчас Грант продолжает эту работу, и ее результаты станут основой для его магистерской диссертации. 

Нам помогают и другие студенты и ученые ФТИАН и МГУ. Кроме того, мы сотрудничаем с коллегами из других институтов, в особенности — из Института общей физики имени А.М.Прохорова РАН.